Disseny d'un bioreactor per l'aprofitament de restes agrícoles en un hort urbà

Treball de Fi de Grau Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà MEMÒRIA Autor/a: Gerard Monago Del Rio Director/a: Jordi Bou Serra Convocatòria: Setembre 2024 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Pàg. 2 Memòria Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 3 Resum Aquest treball té com a objectiu principal el disseny d’un bioreactor compacte, capaç de transformar les restes agrícoles i la matèria vegetal no aptes per al consum en energia. S’estudiaran les condicions de la barreja al bioreactor més favorables, trobant l’equilibri entre un bon funcionament en la producció de gas metà, un cost baix, i un sistema simple i estable. Aquest gas es podrà utilitzar posteriorment per a diferents fins, principalment per a la combustió amb ús culinari o calefacció. També es durà a terme una recerca i exposició de les diferents energies verdes de les quals disposem actualment, aprofundint en els tipus de bioreactors, les seves funcions i usos industrials. Juntament amb el disseny, es realitzaran càlculs seguits d’una anàlisi per comprovar la resistència estructural, la producció de gas i la calor necessària dins del bioreactor per al seu correcte funcionament. Finalment, es conclourà el treball amb un estudi econòmic i d'impacte ambiental, finalitzant amb un diagrama de Gantt en què quedarà plasmada l’organització del projecte segons el transcurs del temps. Pàg. 4 Memòria Resumen Este trabajo tiene como objetivo principal el diseño de un biorreactor compacto, capaz de transformar los restos agrícolas y la materia vegetal no apta para el consumo en energía. Se estudiarán las condiciones de la mezcla en el biorreactor más favorables, encontrando el equilibrio entre un buen funcionamiento en la producción de gas metano a partir de un costo bajo, con un sistema simple y estable. Este gas se podrá utilizar posteriormente para diferentes fines, principalmente su combustión para uso culinario o calefacción. También se llevará a cabo una investigación y exposición de las diferentes energías verdes de las que disponemos actualmente, profundizando en los tipos de biorreactores, sus funciones y usos industriales. Junto con el diseño, se realizarán cálculos seguidos de un análisis para comprobar la resistencia estructural, la producción de gas y el calor necesario dentro del biorreactor para su correcto funcionamiento. Finalmente, se concluirá el trabajo con un estudio económico y de impacto ambiental, finalizando con un diagrama de Gantt en el que quedará plasmada la organización del proyecto según el transcurso del tiempo. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 5 Abstract This work has as its main objective the design of a compact bioreactor capable of transforming agricultural waste and non-consumable plant material into energy. The conditions of the mixture in the bioreactor will be studied to find the most favorable balance between efficient methane gas production at a low cost, with a simple and stable system. This gas can then be used for various purposes, primarily its combustion for culinary use or heating. Additionally, research and an exposition on the different green energies currently available will be conducted, with a focus on the types of bioreactors, their functions, and industrial uses. Alongside the design, calculations will be performed followed by an analysis to verify the structural resistance, gas production, and the necessary heat within the bioreactor for its proper functioning. Finally, the work will conclude with an economic and environmental impact study, ending with a Gantt chart that will outline the organization of the project over time. Pàg. 6 Memòria Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 7 Contingut RESUM ____________________________________________________ 3 RESUMEN _________________________________________________ 4 ABSTRACT _________________________________________________ 5 CONTINGUT ________________________________________________ 7 GLOSSARI I NOMENCLATURA _______________________________ 10 LLISTAT DE FIGURES _______________________________________ 16 LLISTAT DE TAULES _______________________________________ 19 1. PREFACI ______________________________________________ 21 2. INTRODUCCIÓ _________________________________________ 22 2.1. Motivació .................................................................................................. 22 2.2. Abast del treball ....................................................................................... 23 2.3. Objectius del treball .................................................................................. 23 3. PART TEÒRICA ________________________________________ 25 3.1. Energies renovables, biomassa de manera sostenible ........................... 25 3.1.1. Situació actual de les energies renovables ................................................. 25 3.1.2. Avantatges i desavantatges biomassa ........................................................ 30 3.2. Conversions energètiques biomassa ....................................................... 32 3.2.1. Conversió Tèrmica ...................................................................................... 32 3.2.2. Combustió directa i doble ............................................................................ 32 3.2.3. Gasificació .................................................................................................. 33 3.2.4. Piròlisi ......................................................................................................... 34 3.2.5. Descomposició anaeròbica ......................................................................... 36 3.2.6. Conversió Elèctrica ..................................................................................... 38 3.3. Productes obtinguts de l’energia biomassa ............................................. 42 3.3.1. Biocombustibles .......................................................................................... 42 3.3.2. Licor Negre ................................................................................................. 43 3.3.3. Green Crude ............................................................................................... 44 3.4. Bioreactors ............................................................................................... 45 3.4.1. Factors a considerar de la digestió anaeròbica ........................................... 46 3.4.2. Principis de funcionament dels reactors ...................................................... 53 3.4.3. Tipus de reactors utilitzats ........................................................................... 56 3.5. Microorganismes en la energia biomassa ............................................... 60 3.5.1. Reproducció i creixement ............................................................................ 60 3.5.2. Microorganismes a la DA ............................................................................ 63 Pàg. 8 Memòria 3.5.3. Via Alternativa de Producció de Metà ......................................................... 65 4. MATERIALS I EQUIPS ___________________________________ 66 5. ESTUDIS ______________________________________________ 67 5.1. Hort urbà .................................................................................................. 67 5.2. Tipologia del bioreactor escollida ............................................................. 69 5.2.1. Geometria del reactor ................................................................................. 71 5.3. Generació de biogas ................................................................................ 81 5.3.1. Metodologia emprada en la estimació i estudis de referència ..................... 81 5.4. Ciència de l’agitació en bioreactors ......................................................... 88 5.4.1. Rodets en Sistemes d'Agitació .................................................................... 88 5.4.2. Disseny i Dimensions dels Rodets .............................................................. 89 5.4.3. Quantitat i Configuració dels Rodets ........................................................... 89 5.4.4. Tipologia de rodets ...................................................................................... 89 5.4.5. Amidaments i propietats del rodet ............................................................... 94 5.4.6. Estat actual de la ciència centrada en l’agitació de tancs .......................... 100 5.5. Transferència de calor en tancs ............................................................. 102 5.5.1. Elements calefactors ................................................................................. 104 5.5.2. Mètode de calefacció escollit .................................................................... 105 5.5.3. Mecanismes de transferència de calor ...................................................... 106 5.5.4. Estudi tèrmic sobre el tanc ........................................................................ 110 5.6. Sistema de control ................................................................................. 117 5.7. Emmagatzematge del gas ..................................................................... 119 5.7.1. Tipologia de tancs ..................................................................................... 119 5.7.2. Tanc escollit .............................................................................................. 120 6. RESULTATS __________________________________________ 125 6.1. Taules de resultats obtinguts ................................................................. 125 6.1.1. Tipologia del bioreactor i matèria a descomposar ..................................... 125 6.1.2. Generació de gas ...................................................................................... 126 6.1.3. Ciència de l’agitació al reactor ................................................................... 127 6.1.4. Transferència de calor .............................................................................. 128 6.1.5. Sistema de control .................................................................................... 129 6.1.6. Emmagatzematge del gas ........................................................................ 129 6.2. Posada en marxa del sistema ................................................................ 129 6.3. Possibles problemàtiques i solucions .................................................... 130 6.3.1. Problemes d’olors en la crema del biogàs ................................................. 130 6.3.2. Límits de pressió del digestor .................................................................... 131 6.3.3. Control del pH ........................................................................................... 131 6.4. Disseny del reactor ................................................................................ 132 7. PLANIFICACIÓ ________________________________________ 135 Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 9 8. ESTUDI ECONÒMIC ___________________________________ 137 9. ESTUDI AMBIENTAL ___________________________________ 142 10. ESTUDI SOCIAL I D’IGUALTAT DE GÈNERE _______________ 144 11. CONCLUSIONS _______________________________________ 145 12. AGRAÏMENTS ________________________________________ 147 13. BIBLIOGRAFIA _______________________________________ 148 13.1. Bibliografia d’imatges ............................................................................. 153 13.2. Bibliografia complementaria ................................................................... 158 14. ANEXOS _____________________________________________ 159 14.1. Tipus d’energies renovables .................................................................. 159 14.1.1. Energia geotèrmica ................................................................................... 159 14.1.2. Energia hidroelèctrica................................................................................ 160 14.1.3. Energia mareomotriu ................................................................................. 160 14.1.4. Energia eòlica ........................................................................................... 161 14.2. Microorganismes .................................................................................... 161 14.2.1. Tipologia dels microorganismes ................................................................ 162 14.2.2. Característiques nutricionals i fisiològiques dels microorganismes ........... 164 14.2.3. Metabolisme .............................................................................................. 164 14.2.4. Reproducció i creixement .......................................................................... 165 14.3. Imatges de la visita al hort ..................................................................... 165 14.4. Metodologia per a l’estimació de biogas produït .................................... 168 14.4.1. Experimentals directes .............................................................................. 168 14.4.2. Matemàtics ................................................................................................ 168 14.4.3. Monitorització ............................................................................................ 168 14.4.4. Registre d’estudis ...................................................................................... 169 14.5. Funció de generació de biogas segons el temps a partir de potencial bioquímic de biogas i metà. ................................................................... 169 14.6. Plànols del disseny en SolidWorks del biodigestor ................................ 171 Pàg. 16 Memòria Llistat de figures Figura 1: Gràfic generació energies renovables [4] ........................................................ 26 Figura 2: Esquema producció energia biomassa [48] .................................................... 28 Figura 3: Consum brut de renovables a la UE per tipus (2021) [49] ............................... 29 Figura 4: Producció total de biomassa sòlida a la UE-27 [49] ......................................... 30 Figura 5: Esquema sistema del procés de gasificació [50] ............................................. 34 Figura 6: Il·lustració productes obtinguts de la gasificació i piròlisi [51] .......................... 36 Figura 7: Esquema etapes de la digestió anaeròbica [52] .............................................. 38 Figura 8: Funcionament cèl·lules d'electròlisi microbiana [53] ........................................ 39 Figura 9:Funcionament cèl·lules de combustible d’hidrogen [54] ................................... 42 Figura 10: Tipus i generació de biocombustibles [55] ..................................................... 43 Figura 11: Descripció general del cicle de recuperació .................................................. 44 Figura 12: Planta de producció de green crude [57] ....................................................... 45 Figura 13: Gràfic de les temperatures de treball per als digestors anaeròbics [58] ........ 50 Figura 14: Disseny general d'un digestor anaeròbic [59] ................................................ 54 Figura 15: Reactor de tanc agitat continu [60] ................................................................ 56 Figura 16:Reactor anaeròbic de llit de fangs per flux ascendent [61] ............................. 57 Figura 17: Reactor de flux continu amb tecnologia de reflux [62] ................................... 58 Figura 18: Esquema funcionament reactors seqüencials batch [63]............................... 58 Figura 19: Esquema de funcionament d'un reactor de flux continu [64] ......................... 59 Figura 20: Diagrama de concentració del bacteri Streptococcus Sobrinus en el temps [29] ........................................................................................................................................ 61 Figura 21: Recull d’imatges de diversos bacteris metanògens [66] ................................ 65 Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 17 Figura 22:Imatge satèl·lit de Can Batlló [67] ................................................................... 68 Figura 23:Imatge satèl·lit de l'hort d'estudi [67] ............................................................... 68 Figura 24: Gràfic de producció de gas, metà i nivell de pH durant 5 períodes de 25 dies [33] .................................................................................................................................. 75 Figura 25: Gràfic de producció de gas, metà i nivell de pH durant 5 períodes de 25 dies [33] .................................................................................................................................. 83 Figura 26:Esquema de funcionament segons tipologia de rodets [68] ........................... 89 Figura 27: Model 3D d'agitador de pales [69] ................................................................. 90 Figura 28:Model 3D agitador tipus hèlix [70] .................................................................. 92 Figura 29: Model 3D agitador tipus turbina [71] .............................................................. 93 Figura 30 : Esquema indicador d'amidaments en un reactor [37] ................................... 94 Figura 31: Gràfic experimental corbes de relació entre Nº Potencia i Nº Reynolds [37] . 98 Figura 32: Gràfic sobre la producció de biogas a l'estudi [40] segons els dies ............. 101 Figura 33: Gràfic del contingut en metà proporcional a la producció de biogas per a diversos experiments [41] .............................................................................................. 101 Figura 34: Gràfic de la concentració de VFA per a diversos experiments [41] ............ 102 Figura 35:Grafics amb els resultats en generació de biogas, metà i reducció en COD i VS segons temperatures de treball [40] .............................................................................. 103 Figura 36: Simulació en 2D del cas d'estudi amb un programa de simulacions VisiMixFluent, elaboració propia .................................................................................... 106 Figura 37: Esquema de conducció en 1D a traves d'un cilindre, extret del formulari de Termotècnia. ................................................................................................................. 110 Figura 38: Dibuix esquemàtic de les pèrdues tèrmiques per convecció, elaboració propia ...................................................................................................................................... 111 Figura 39:Dibuix esquemàtic de les pèrdues tèrmiques per convecció amb aïllament, elaboració pròpia ........................................................................................................... 115 Figura 40: Gràfic de les pèrdues en calor totals i en tancaments humits segons gruix de Pàg. 18 Memòria l'aillant, graficat amb Matlab .......................................................................................... 116 Figura 41: Formulari per al càlcul de pressió màxima de treball segons geometria del tanc [46] ................................................................................................................................ 123 Figura 42: Imatge del model de tanc escollit [72] .......................................................... 124 Figura 43: Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW, elaboració pròpia ................. 132 Figura 44:Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW amb transparències i seccionat, elaboració pròpia ........................................................................................................... 133 Figura 45:Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW amb transparències, elaboració pròpia ............................................................................................................................ 134 Figura 46: Esquema central geotèrmica [47] ................................................................ 159 Figura 47: Recull d'imatges de diversos microorganismes [65] .................................... 164 Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 19 Llistat de taules Taula 1: Resultats obtinguts a l'estudi [33] ...................................................................... 76 Taula 2: Resultats Obtinguts a l'estudi [33] ...................................................................... 82 Taula 3: Producció de gas a partir de l'estudi [33] ........................................................... 84 Taula 4: Característiques del material orgànic digerit a l'estudi [34] ............................... 84 Taula 5: Resultats obtinguts a l'estudi [34] ...................................................................... 85 Taula 6: Relacions geomètriques comuns per a reactors [37] ......................................... 95 Taula 7: Resultats obtinguts a partir de l'estudi [38] ........................................................ 98 Taula 8: Formulari sobre termotècnia [43] ..................................................................... 108 Taula 9: Resultats tipologia del bioreactor i matèria a descomposar ............................. 125 Taula 10: Resultats generació de gas ........................................................................... 126 Taula 11: Resultats ciència de l’agitació del reactor ...................................................... 127 Taula 12: Resultats transferència de calor .................................................................... 128 Taula 13: Resultats sistema de control .......................................................................... 129 Taula 14: Resultats emmagatzematge de gas .............................................................. 129 Taula 15: Diagrama de de Gantt ................................................................................... 136 Pàg. 20 Memòria Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 21 1. Prefaci Aquests últims anys, el creixement demogràfic i industrial que ha patit el món ha repercutit directament en la demanda energètica necessària per abastir principalment la indústria, la mobilitat, els comerços i les habitatges. En aquest context, les energies renovables han guanyat importància com a solució per a la reducció dels principals acceleradors del canvi climàtic, sent el més important la petjada de CO₂. Entre les energies renovables actuals, els bioreactors han guanyat un interès significatiu com a mitjà per a la producció d’energia i altres productes de gran utilitat provinents d’aquest tipus d’energies. Aquests sistemes ofereixen una plataforma versàtil per a la conversió eficient de matèria orgànica en energia, així com per a la producció de biocombustibles, biofèrtils i altres productes de valor afegit. En aquest treball, s’explorarà l’actualitat en el camp de les energies renovables i en els bioreactors, oferint una visió detallada de les diferents tecnologies i processos emprats i les seves aplicacions actuals. Es farà un repàs a temes com la biodegradació de residus orgànics, la producció de biogàs i biometà, la generació d'electricitat a partir de biomassa, així com les estratègies per a l'optimització i el control dels bioreactors. A més, s’estudiaran les implicacions ambientals, socials i econòmiques de la utilització d’energies renovables i, en concret, dels bioreactors. Pàg. 22 Memòria 2. Introducció En aquest treball es pretén estudiar el tipus d’energies renovables existents i, més concretament, les tecnologies emprades en els bioreactors. Es realitzarà un estudi exhaustiu dels tipus de bioreactors existents, el seu funcionament, els productes derivats que s’obtenen amb aquest tipus d’energia i les aplicacions que tenen actualment. Un cop recopilada i exposada la informació necessària sobre aquests aparells, es passarà a dissenyar un bioreactor. Aquest haurà de disposar dels components essencials per al correcte funcionament, els quals estan basats en unes condicions establertes segons la ubicació del bioreactor i el volum de material que haurà de digerir. Conegudes les condicions externes, s’haurà de realitzar un estudi per tal que el disseny sigui robust, permetent així mantenir unes eficiències de conversió energètica correctes. El principal ús del bioreactor serà digerir les restes vegetals provinents del cultiu de diferents tipus de plantes, les quals actualment serveixen per al compostatge. Exemples de restes generades poden ser talls verds no aptes per al consum humà, restes de fruites, vegetals en descomposició, fulles i qualsevol altre exemple que no entri dins del marc de vegetals que es poden ingerir. La ubicació del dispositiu serà en un hort urbà situat a la ciutat de Barcelona, aportant un grau de dificultat extra degut a l’espai reduït al qual es veurà sotmès i la proximitat als habitants que això implicarà. 2.1. Motivació Aquest treball neix amb la motivació de millorar l’obtenció de productes d’utilitat a partir d’una de les tècniques més antigues per a l’obtenció de recursos, com és l’agricultura, originada fa 12.000 anys [1] durant l’època del Neolític i que encara avui en dia busca millores per a practicar-la de manera més sostenible i eficient. L’interès per millorar l’agricultura, juntament amb l’interès comú actual en la ciència per desenvolupar noves formes d’energies renovables i tècniques sostenibles, va generar la idea de dissenyar un bioreactor per tal de millorar el cicle vegetatiu i maximitzar els productes. En aquest cas, la tecnologia utilitzada en els bioreactors va despertar curiositat a partir d’un vídeo didàctic sobre les tècniques d’empelt d’arbres fruiters cultivats com a bonsais [2]. Tot i que l’objectiu principal del vídeo no era parlar sobre els bioreactors, se’n va fer una breu menció durant la reproducció del mateix, explicada de manera simplificada. A partir d’aquest moment, la curiositat sobre el funcionament d’aquest aparell va anar en augment i es va proposar el repte de dissenyar-ne un de compacte, realitzant una sèrie Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 23 d’estudis per tal d’aprofitar al màxim tota l’energia que es podria obtenir de les plantes de manera sostenible, procurant causar el menor impacte i ocupar el menor espai possible. 2.2. Abast del treball Aquest treball pretén abordar les bases teòriques generals de les diferents energies renovables i explorar les tècniques per a l'obtenció de recursos dels diferents tipus de bioreactors actuals, així com els seus usos a nivell industrial. Un cop coberta la informació necessària, s'establirà un punt a la ciutat de Barcelona, concretament en un hort urbà a Can Batlló. A partir de les condicions externes com les climatològiques i d'espai, juntament amb el càlcul del material vegetal sense ús produït per l'hort, es realitzaran estudis per dissenyar un bioreactor eficient adaptat a la ubicació escollida. Dins dels estudis, es duran a terme càlculs de la resistència estructural, les necessitats tèrmiques, així com el cost total de manufactura de l'aparell, amb una anàlisi dels recursos que s'obtindran a partir de la matèria introduïda, una breu explicació del seu funcionament i un model 3D de l'aparell biodigestor que plasmi les idees en un model visual. 2.3. Objectius del treball Els objectius principals d’aquest treball es poden separar en quatre grups, ordenats segons l'ordre cronològic en què seran assolits. Aquests quatre objectius seran essencials per a la direcció que prendrà el treball i les decisions que es prendran per assolir l'objectiu final del TFG. Al final de l'arxiu, es valorarà si s'han assolit aquests objectius i la importància que ha tingut cadascun d'ells. Els objectius són: 1. Recerca d’informació sobre energies renovables i específicament sobre els tipus de biocompostadors Inicialment, es revisarà exhaustivament la informació sobre energies renovables, especialment centrant-se en el funcionament i els avantatges dels biocompostadors. Això inclourà la recopilació d'informació sobre els diferents tipus de biocompostadors disponibles, les seves característiques i els seus avantatges en termes de sostenibilitat i eficiència. Pàg. 24 Memòria 2. Disseny inicial del biocompostador segons la matèria a digerir Se'n farà ús de la informació recopilada durant la recerca per dissenyar un biocompostador inicial que sigui adequat per processar la matèria orgànica específica disponible a l’hort. Per tal de fer un disseny robust, es tindran en compte les característiques de la matèria a digerir, com la seva composició i la seva humitat, per determinar els requisits de disseny del biocompostador. 3. Estudi tèrmic, condicions necessàries per al funcionament òptim i solució de problemes Es realitzarà un estudi tèrmic detallat per determinar les condicions òptimes de temperatura per al funcionament del biocompostador. S’identificaran les condicions necessàries, com ara airejament, humitat i temps de residència, per assegurar el funcionament òptim del biocompostador. Caldrà proposar solucions per a possibles problemes que puguin sorgir durant el funcionament del biocompostador, com ara problemes de soroll, olors o altres inconvenients. 4. Disseny final en model 3D i cost total del projecte Partint de les específicacions del biocompostador inicial i les solucions proposades durant l'estudi tèrmic, es crearà un disseny final del biocompostador en un model 3D. Per concloure, es procedirà amb el càlcul del cost total del projecte, tenint en compte els materials, la mà d'obra i altres despeses relacionades amb el disseny, la construcció i la posada en marxa del biocompostador. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 25 3. Part teòrica 3.1. Energies renovables, biomassa de manera sostenible En els darrers anys, hem assistit a un augment significatiu de la conversa sobre les energies renovables, a mesura que la preocupació pel canvi climàtic i la sostenibilitat ha crescut a escala mundial. Això es deu al fet que l'energia renovable representa una oportunitat brillant per afrontar els reptes energètics i ambientals als quals ens estem enfrontant com a civilització. Aquesta energia prové de fonts naturals, com ara el sol i el vent, les quals no pateixen escassetat general, encara que funcionen amb certa intermitència. Ofereixen una alternativa sostenible i neta als combustibles fòssils. A diferència de les energies renovables esmentades, els combustibles fòssils, com el carbó, el petroli i el gas, són recursos no renovables que es formen durant centenars de milions d'anys. La seva combustió produeix emissions nocives de gasos d'efecte hivernacle, contribuint al canvi climàtic i a la contaminació atmosfèrica. Fomentar l'ús d'energies renovables no només redueix les emissions contaminants, sinó que també ofereix beneficis econòmics i socials. Avui en dia, les energies renovables són més assequibles que mai a la majoria dels països i generen una gran quantitat de llocs de treball. Això ens brinda una oportunitat única per impulsar la sostenibilitat i la prosperitat per a les generacions futures. 3.1.1. Situació actual de les energies renovables L’estat actual de les energies renovables mostra un moment de transformació que avança ràpidament en el sector energètic a nivell mundial. Amb un increment notable de les inversions per al desenvolupament d’aquestes, el suport polític i els avenços tecnològics, les energies renovables estan guanyant terreny a un ritme sense precedents. Segons el informe "Renovables 2023" [3], el món està encaminat a afegir més capacitat renovable en els pròxims cinc anys del que s'ha instal·lat des que es va construir la primera planta d'energia renovable comercial fa més de 100 anys. Amb gairebé 3.700 GW de nova capacitat renovable en línia durant el període 2023-2028, impulsada per polítiques de suport en més de 130 països, es preveuen diverses fites rellevants: Pàg. 32 Memòria incrementar l'ús de fertilitzants i pesticides, afectant negativament els ecosistemes locals. - Ineficient Actualment, l'energia de biomassa no és tan eficient com altres fonts d'energia. En molts casos, l'energia necessària per cremar la matèria orgànica supera l'energia produïda. Això significa que es necessiten noves tecnologies per millorar l'eficiència de la biomassa si es vol utilitzar a gran escala. La ineficiència es deu principalment a la composició de la biomassa, on prop del 50% del seu pes està format per aigua, la qual es perd durant el procés de conversió energètica. Diversos científics i enginyers consideren que el transport de biomassa a més de 160 quilòmetres del seu lloc de processament no és econòmicament viable en la majoria d’aplicacions. 3.2. Conversions energètiques biomassa La biomassa pot ser convertida en diverses formes d'energia mitjançant diferents processos tecnològics. Aquests processos transformen la biomassa, que és material orgànic provinent de plantes i animals, en energia utilitzable. Les principals formes de conversió de la biomassa són la conversió tèrmica directa i la producció de combustibles líquids, sòlids o gasosos. Aquestes conversions poden ser utilitzades principalment per obtenir energia tèrmica i elèctrica.[8][15] 3.2.1. Conversió Tèrmica Una de les energies que es poden transformar és l'energia tèrmica. Per tal d'obtenir-la, cal escalfar el material orgànic per cremar-lo, deshidratar-lo o estabilitzar-lo. Els materials més utilitzats, degut a la seva facilitat d'encesa per obtenir calor, són restes de retalls de fusta o paper, juntament amb material sòlid incendiable procedent dels residus. Hi ha diferents tipus de processos per obtenir l'energia creada mitjançant la conversió directa. Els més importants són la piròlisi, la gasificació, la doble combustió, la combustió directa i la descomposició anaeròbica. 3.2.2. Combustió directa i doble La primera part del procés a l’hora de cremar la biomassa consisteix a assecar-la per tal que sigui més fàcil obtenir l’energia mitjançant la combustió. Aquest procés rep el nom Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 33 de torrefacció, durant el qual el material biològic s’exposa a temperatures al voltant de 200-320 graus Celsius, deixant el material completament inert a la humitat [16]. La massa es transforma en un material dens i fosc, perdent prop del 20% d’aigua però mantenint el 90% de l’energia inicial. La massa fosca es compacta en blocs i adquireix propietats hidrofòbiques, amb una gran densitat energètica i flamabilitat. La majoria dels blocs obtinguts mitjançant el procés de torrefacció es cremen directament, aprofitant el vapor generat durant l’intercanvi de calor entre l’aigua i el produït en la combustió per impulsar una turbina unida a un generador, convertint així el moviment mecànic circular en energia elèctrica. La biomassa també es pot cremar juntament amb combustibles fòssils, essent aquests la base, especialment en plantes de carbó. La co-combustió de biomassa permet estalviar en la infraestructura necessària per processar la biomassa, alhora que redueix l’ús i, per tant, la demanda de carbó per obtenir energia elèctrica. Aquesta combinació de crema en plantes tèrmica de combustió implica una disminució de les emissions de diòxid de carboni i altres gasos d’efecte hivernacle produïts durant la combustió. 3.2.3. Gasificació La biomassa també es pot transformar directament en energia mitjançant la gasificació. Aquest procés consisteix a escalfar un material de biomassa, sovint residus sòlids urbans (RSU), a temperatures superiors als 700 °C amb una quantitat controlada d’oxigen. Aquesta calor provoca que les molècules es descomposin, produint syngas i escòria. El syngas està compost principalment d'hidrogen i monòxid de carboni. Durant el procés de gasificació, aquest gas es neteja per eliminar impureses com el sofre, partícules, mercuri i altres contaminants. Un cop purificat, el syngas es pot utilitzar per generar calor o electricitat mitjançant combustió, o es pot transformar en biocombustibles per al transport, productes químics i fertilitzants. El material resultant d’aquest procés és un líquid vidriós i fosc que es pot reutilitzar en la fabricació de materials com teules, ciment o asfalt. És important destacar que la gasificació representa una tecnologia amb un gran Potencial per a la gestió sostenible dels residus i la reducció d’emissions de gasos d’efecte hivernacle. La seva versatilitat permet aprofitar diverses fonts de biomassa, Pàg. 34 Memòria incloent residus agrícoles, forestals i industrials, convertint-los en recursos energètics de gran importància. Amb l’augment de la demanda d’energies renovables, la gasificació de biomassa es perfila com una peça clau en la transició cap a un model energètic més net i sostenible. Figura 5: Esquema sistema del procés de gasificació [50] 3.2.4. Piròlisi Durant el procés de piròlisi, la biomassa s’escalfa a temperatures compreses entre 300 °C i 800 °C en absència absoluta d’oxigen, la qual cosa impedeix la combustió i provoca una alteració química del material de biomassa. Els productes finals es divideixen en un líquid fosc anomenat oli de piròlisi, un gas sintètic conegut com a syngas i un residu sòlid anomenat biochar. Tots aquests components es poden utilitzar per generar energia. 3.2.4.1. Oli de piròlisi Els compostos orgànics volàtils es poden condensar en forma líquida per donar lloc a l'oli de piròlisi, que és una barreja complexa de fenols, àcids orgànics, aldehids, cetones i altres compostos químics. També conegut com a bio-oli o biocrude, l'oli de piròlisi és un tipus de quitrà. Es pot cremar per produir electricitat i també s’utilitza com a component en la producció de Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 35 combustibles i plàstics, amb el Potencial d’esdevenir una possible alternativa al petroli utilitzat actualment. 3.2.4.2. Syngas És el nom que se li dóna a la barreja de gasos obtinguts durant el procés de piròlisi, formada essencialment per hidrogen i monòxid de carboni, amb proporcions de diòxid de carboni, metà i altres gasos en menor quantitat, com nitrogen i traces de compostos d'impuresa. Pot usar-se com a combustible i es pot separar per transformar-lo en metà i hidrogen, utilitzant-lo com a substitut del gas natural. 3.2.4.3. Biochar Els components no volàtils que no s'evaporen ni es converteixen en gasos es transformen en biochar, un material ric en carboni que queda com a residu sòlid, conformant un tipus de carbó vegetal, especialment útil en l’agricultura. Enriqueix el sòl i evita que els pesticides i altres nutrients es filtrin al drenatge. A més, el biochar actua com un excel·lent absorbent de carboni, emmagatzemant aquest element present als gasos d’efecte hivernacle, mentre ajuda a enriquir el sòl gràcies a la seva estructura porosa, la qual permet absorbir i retenir aigua i nutrients. A la selva amazònica del Brasil, s'utilitza el biochar en el procés anomenat slash-and- char. Aquest mètode és una alternativa al slash-and-burn (retallar i cremar), que incrementa temporalment els nutrients del sòl però causa una pèrdua considerable de carboni (fins al 97%). En canvi, amb slash-and-char, les plantes carbonitzades es reincorporen al sòl, cosa que permet que aquest mantingui el 50% del seu carboni original. Aquest enfocament no només preserva una quantitat significativa de carboni, sinó que també enriqueix el sòl i fomenta un creixement vegetal molt més saludable i sostingut. Pàg. 36 Memòria Figura 6: Il·lustració productes obtinguts de la gasificació i piròlisi [51] 3.2.5. Descomposició anaeròbica El procés de la DA és aquell en què els microorganismes, principalment bacteris, descomponen matèria orgànica de manera anaeròbica, és a dir, en absència d’oxigen. Aquest procés és una forma natural de degradació que ocorre en ambients on l'oxigen és escàs o inexistent, i també es pot produir de manera artificial durant el tractament de residus orgànics en digestors anaeròbics. El funcionament del procés es pot dividir en quatre etapes. 3.2.5.1. Hidròlisi En la primera etapa, les macromolècules orgàniques complexes, com els carbohidrats, les proteïnes i els lípids, es descomponen en molècules més petites i solubles, com ara sucres simples, aminoàcids i àcids grassos. Aquest procés es deu a l'acció d'enzims secretats pels microorganismes, que descomponen aquestes grans molècules per facilitar-ne la digestió posterior.[17] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 37 3.2.5.2. Acido gènesi Els compostos resultants de la hidròlisi es transformen en àcids grassos volàtils (VFA), alcohols, diòxid de carboni (CO₂) i altres compostos simples gràcies a l'activitat bacteriana. Aquesta etapa també genera àcid acètic, que és essencial per a les fases següents del procés de descomposició. 3.2.5.3. Acetogènesi En aquesta fase, els VFA i altres compostos es converteixen en àcid acètic, diòxid de carboni (CO₂) i hidrogen (H₂) per l'acció de bacteris acetogènics. Aquesta etapa és crucial perquè prepara els compostos per a la producció de metà en l'etapa final. 3.2.5.4. Metanogènesi Finalment, en l'etapa de metanogènesi, els bacteris metanogènics converteixen l'àcid acètic, el diòxid de carboni (CO₂) i l'hidrogen (H₂) en metà (CH₄). Aquesta és l'etapa clau, ja que és on es produeix el biogàs, una barreja de metà, hidrogen i diòxid de carboni, que es pot utilitzar com a font d'energia. Les aplicacions de la digestió anaeròbica no es limiten només als abocadors; també s'aplica a granges i explotacions ramaderes, on els fems i altres residus animals es converteixen en biogàs mitjançant digestors anaeròbics. Aquest biogàs, compost principalment de metà, pot ser utilitzat per generar electricitat, calor o fins i tot com a combustible per a vehicles, satisfent així les necessitats energètiques de la granja de manera sostenible. El procés no només redueix la dependència de combustibles fòssils, sinó que també minimitza les emissions de metà, que d'altra manera es alliberarien a l'atmosfera. A més, el subproducte sòlid i líquid resultant de la digestió anaeròbica, conegut com a digerit, serveix com a fertilitzant ric en nutrients, millorant la qualitat del sòl i contribuint a un model d'agricultura més circular i respectuós amb el medi ambient. Aquest enfocament integral promou una gestió agrícola més sostenible i eficient. Pàg. 38 Memòria Figura 7: Esquema etapes de la digestió anaeròbica [52] 3.2.6. Conversió Elèctrica L'energia de la biomassa es pot convertir en electricitat mitjançant diversos processos tecnològics que aprofiten els recursos biològics. Dos dels mètodes principals són les cèl·lules de combustible microbianes (CCM) i l'ús d'hidrogen en cèl·lules de combustible. Aquests mètodes utilitzen processos biològics i químics per transformar l'energia química de la biomassa en energia elèctrica sense haver de passar per processos de combustió, els quals afecten negativament l'eficiència global del procés per a l'obtenció d'energia elèctrica, limitant les pèrdues en calor. 3.2.6.1. Cèl·lules de Combustible Microbianes (CCM) Les cèl·lules de combustible microbianes són dispositius que converteixen l'energia química continguda en la matèria orgànica directament en energia elèctrica utilitzant microorganismes. Aquests microorganismes descomponen la matèria orgànica (per exemple, residus orgànics, aigua residual, etc.) en un procés de respiració anaeròbica, generant electrons. Les CCM capturen aquests electrons per generar un corrent elèctric. Les CCM estan compostes per tres parts essencials: Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 39 1. Compartiment Anòdic En una CCM, la matèria orgànica es col·loca en un compartiment anòdic on els microorganismes descomponen les molècules orgàniques. Durant aquesta descomposició, els microorganismes transfereixen electrons a l’ànode (elèctrode negatiu) de la CCM. 2. Compartiment Catòdic Els electrons flueixen des de l'ànode a través d'un circuit extern cap al càtode (elèctrode positiu), generant un corrent elèctric. En el compartiment catòdic, normalment es produeix una reacció redox amb l'oxigen, que accepta els electrons per completar el circuit. 3. Producció d'Electricitat Aquest flux d'electrons genera un corrent elèctric que pot ser capturat i utilitzat per alimentar dispositius electrònics o emmagatzemat en bateries. Figura 8: Funcionament cèl·lules d'electròlisi microbiana [53] Les cèl·lules de combustible microbianes (CCM) tenen diverses aplicacions amb un gran Potencial per al futur. Una de les més prometedores és en el tractament d'aigües residuals, on es pot utilitzar la matèria orgànica present en aquestes aigües per generar electricitat, al mateix temps que es redueixen els nivells de contaminants. Aquesta aplicació ofereix una solució sostenible per a la gestió de residus i la producció d'energia. Pàg. 40 Memòria A més, les CCM també són útils en sistemes remots i de sensorització, especialment en entorns on les fonts d'energia convencionals no són viables. Gràcies a la seva capacitat per generar una font d'energia de baixa potencia però contínua, les CCM poden alimentar sensors i dispositius en llocs remots durant períodes prolongats. Tot i que les CCM tenen un gran Potencial, encara hi ha reptes a superar pel que fa a la seva eficiència i cost. La investigació actual es centra en millorar la interfase entre els microorganismes i els elèctrodes, així com en l'optimització dels materials utilitzats en la construcció de les CCM, per tal de fer-les més eficients i econòmicament viables. 3.2.6.2. Cèl·lules de Combustible d'Hidrogen Les cèl·lules de combustible d’hidrogen són una font d'energia alternativa prometedora que pot ser derivada de la biomassa, rica en hidrogen. L’hidrogen es pot extreure químicament de la biomassa i utilitzar-se per generar electricitat i alimentar vehicles. Les cèl·lules de combustible estacionàries s’utilitzen per generar electricitat en llocs remots, com ara àrees salvatges i missions espacials. Per exemple, al Parc Nacional de Yosemite a Califòrnia, es fan servir cèl·lules de combustible d’hidrogen per proporcionar electricitat i aigua calenta als edificis d’administració. Les cèl·lules de combustible d'hidrogen estan compostes per diverses parts essencials que treballen conjuntament per convertir l'hidrogen en electricitat a través d'un procés electroquímic. Les diferents parts que conformen una cèl·lula de combustible d'hidrogen són les següents: 1. Ànode L'ànode és l’elèctrode on l'hidrogen es divideix en protons i electrons a través d'un procés anomenat oxidació. Quan l'hidrogen arriba a l'ànode, aquest es descompon en ions d'hidrogen (protons) i electrons. Els protons travessen el material electrolític cap al càtode, mentre que els electrons són conduïts a través d'un circuit extern, generant així electricitat. 2. Càtode El càtode és l'altre elèctrode de la cèl·lula, on es produeix la reacció de reducció. Els protons que han travessat l'electròlit i els electrons que arriben a través del circuit extern es combinen amb l'oxigen de l'aire per formar aigua. Aquesta reacció allibera energia, que és l'electricitat generada a la cèl·lula de combustible. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 41 3. Electròlit L'electròlit és una membrana especial que separa l'ànode i el càtode i permet el pas dels ions d'hidrogen (protons) mentre bloqueja el pas dels electrons. Això força els electrons a viatjar a través d'un circuit extern, generant electricitat útil. El tipus d'electròlit utilitzat varia segons el tipus de cèl·lula de combustible, però sovint és una membrana polimèrica conductora de protons (com les membranes d'electròlit polimèric). 4. Catalitzadors Els catalitzadors són materials que acceleren les reaccions químiques que tenen lloc tant a l'ànode com al càtode. A l'ànode, els catalitzadors (generalment a base de platí) faciliten la descomposició de l'hidrogen en protons i electrons. Al càtode, els catalitzadors ajuden a combinar els protons, electrons i oxigen per formar aigua. Els catalitzadors són crucials per augmentar l'eficiència de la cèl·lula de combustible. 5. Circuit extern El circuit extern és el camí que segueixen els electrons des de l'ànode fins al càtode a través d'una càrrega externa (com un motor o una bateria). És aquí on es genera l'electricitat que pot ser utilitzada per alimentar dispositius elèctrics. 6. Distribuïdor de gasos A més de les parts principals, les cèl·lules de combustible també inclouen un sistema de distribució de gasos que s'encarrega de subministrar hidrogen a l'ànode i oxigen, generalment de l'aire, al càtode. Aquest sistema assegura que els gasos arribin uniformement a les superfícies dels respectius elèctrodes per a una reacció eficient. Una de les aplicacions principals de les cèl·lules de combustible d'hidrogen és en el transport, on poden substituir els combustibles fòssils en vehicles, reduint les emissions de carboni. Es poden utilitzar en sistemes estacionaris per generar electricitat i calor per a edificis o indústries, especialment en llocs on es volen minimitzar les emissions contaminants. Les cèl·lules de combustible d'hidrogen poden ser molt útils en aplicacions remotes o en zones aïllades, on altres formes d'energia poden no ser pràctiques o econòmiques, tenint un perfil de funcionament molt semblant a les Cèl·lules de Combustible Microbianes (CCM). Pàg. 48 Memòria 3.4.1.4. Contingut de nitrogen El nitrogen és crucial per a la síntesi de proteïnes i és requerit principalment pels microorganismes durant la DA. Els compostos nitrogenats en els residus orgànics solen ser proteïnes que es converteixen en amoni durant la DA, estabilitzant el pH dins del bioreactor. Aquest amoni és absorbit pels microorganismes per formar nova massa cel·lular. Per tal de regular el pH, l'amoni (NH₄⁺) estabilitza el pH d'una solució gràcies a l'equilibri reversible entre el ió amoni (NH₄⁺) i l'amoníac (NH₃). Aquest equilibri permet que l'amoníac capturi o alliberi ions d'hidrogen (H⁺) segons les variacions de pH, actuant com un amortidor que resisteix els canvis bruscos de pH. 𝑵𝑯𝟑+ 𝑯+⇌𝑵𝑯𝟒 + 3.4.1.5. Relació C/N La relació C/N és el factor que pren més importància durant la digestió anaeròbica. Una relació entre 20:1 i 30:1 proporciona suficient nitrogen per a la DA. Per a la digestió de residus de fruites i verdures, una relació òptima és entre 22:1 i 35:1; per tant, per a la degradació de residus orgànics en general, la relació queda entre 20:1 i 35:1.[20][21] Un increment excessiu de la relació C/N provoca que els bacteris consumeixin ràpidament el nitrogen disponible. Aquest consum ràpid força a intentar compensar la manca de proteïna al substrat, cosa que redueix la producció de biogàs. D'altra banda, una disminució excessiva de la relació C/N allibera nitrogen que s'acumula en forma d'amoníac, augmentant l'acidesa del pH i dificultant el procés de digestió anaeròbica. Una manera d'optimitzar el procés de DA és aprofitar la relació C/N mitjançant la codigestió, que consisteix en la digestió simultània de dos o més substrats. Això augmenta la producció i qualitat del biogàs i del digestat, accelerant el procés i equilibrant l'activitat bacteriana. 3.4.1.6. pH El pH del substrat es un altre dels indicadors a tenir en compte durant el disseny degut al impacte que pot arribar a tenir sobre la reacció dels microorganismes metanogènics i per a la dissociació de compostos com l'amoníac, el sulfur d'hidrogen i els àcids Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 49 orgànics. El pH òptim per a la metanogènesi és d'aproximadament 7.0, amb un rang eficient entre 6.5 i 8.2 dins el digestor. La hidròlisi i l'acidogènesi tenen lloc a un pH entre 5.5 i 6.5. 3.4.1.7. Composició microbiana La descomposició anaeròbica implica reaccions metabòliques com la hidròlisi, acidogènesi, acetogènesi i metanogènesi, les quals són catalitzades per diverses comunitats microbianes capaces de convertir macromolècules complexes en compostos de baix pes molecular. Una font d'inòcul és clau per optimitzar la relació residu/inòcul i millorar l'eficàcia del procés de digestió. 3.4.1.8. Temperatura ambiental El procés de digestió anaeròbica (DA) pot tenir lloc a diferents temperatures, que es divideixen en tres rangs: - Psicròfil És el rang de temperatures comprès entre els 25°C i temperatures inferiors. L’activitat microbiana en aquest rang es veu greument relentitzada, afectant negativament la producció de biogàs i el temps de retenció hidràulic. S’empra principalment en sistemes amb poca tecnicitat, baix control dels paràmetres de la reacció i generalment en climes freds. - Mesòfil És el rang de temperatures d’operació de la DA més comú, comprès entre els 25°C i 45°C. Els microorganismes mesòfils funcionen de manera eficient, oferint un equilibri entre la producció de biogàs, l'estabilitat del procés i els costos d'operació. La majoria de les plantes de biogàs operen en aquest rang per la seva fiabilitat. - Termòfil Es refereix al procés de DA dut a terme a temperatures entre els 45°C i els 70°C. Els microorganismes termòfils acceleren la degradació de la matèria orgànica, cosa que provoca una major producció de biogàs i una destrucció més eficient de patògens. No Pàg. 50 Memòria obstant això, el procés és més sensible a les variacions de temperatura i pot requerir més energia per mantenir les condicions termofíliques. Figura 13: Gràfic de les temperatures de treball per als digestors anaeròbics [58] La temperatura del procés està correlacionada directament amb el temps de retenció hidràulica (HRT), per la qual cosa cal fer un balanç principalment entre els rangs mesòfils i termòfils, valorant els avantatges i desavantatges. Entre els avantatges, hi ha una degradació més ràpida dels residus, que accelera l’etapa d’hidròlisi i facilita la digestió dels sòlids volàtils, assegurant una major producció de biogàs i una millor destrucció de patògens. Entre els desavantatges, cal considerar el replantejament del material que s’ha de fer servir, ja que això repercutirà negativament en la vida útil dels materials que conformen el digestor, els quals estaran exposats a temperatures elevades constants en ambients corrosius. També s’incrementarà el cost operatiu a causa de l’energia necessària per mantenir la mescla entre els rangs desitjats, exigint el disseny d’un sistema de control fiable per mantenir aquests rangs estables. 3.4.1.9. Inhibidors En la DA, els inhibidors són substàncies que poden interferir negativament en l'activitat dels microorganismes responsables de la degradació de la matèria orgànica i la producció de biogàs. Aquests inhibidors poden ser substàncies presents de manera natural en els residus orgànics o bé subproductes generats durant el mateix procés de digestió. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 51 Hi ha una sèrie d’inhibidors que destaquen per la seva abundància i efectes negatius; entre els més importants a tenir en compte són els següents: - Amoníac Concentracions elevades d’amoníac, normalment per sobre de 100 mg/L, poden inhibir l'activitat dels bacteris metanogènics, reduint la producció de metà. L’amoníac pot penetrar les cèl·lules microbianes, afectant el seu metabolisme i, en altes concentracions, pot causar toxicitat i aturada del procés de metanogènesi. - Àcids grassos volàtils (AGV) Són compostos orgànics de cadena curta que es produeixen durant la primera etapa del procés de digestió anaeròbica. Són subproductes de la degradació dels hidrats de carboni, proteïnes i lípids per part dels microorganismes durant la fase de l’acidogènesi. L’acumulació excessiva d’aquests, com l’acetat, el propionat o el butirat, pot provocar una acidificació del medi, reduint el pH i inhibint l'activitat microbiana. Un pH massa baix pot inhibir els bacteris responsables de la metanogènesi, conduint a una disminució en la producció de biogàs i a una inestabilitat del procés. - Ions metàl·lics pesants (com el coure, el zinc o el níquel) En concentracions elevades, aquests ions poden ser tòxics per als microorganismes anaerobis. Tenen la capacitat de desnaturalitzar enzims o alterar la funció de les membranes cel·lulars, inhibint el creixement i l'activitat dels microorganismes. - Sulfur d'hidrogen (H₂S) Aquest compost és un producte de la descomposició de matèria orgànica que conté sofre i pot ser tòxic per als microorganismes en altes concentracions. Interfereix amb les cadenes respiratòries dels bacteris, reduint l'eficiència del procés de degradació i, per tant, la producció de biogàs. - Oxigen Finalment, l’oxigen és un inhibidor natural de la digestió anaeròbica, ja que els microorganismes involucrats en la DA són en la seva majoria estrictament anaerobis. La presència d’oxigen pot destruir o inactivar els bacteris anaeròbics, aturant el procés de fermentació anaeròbica. Pàg. 52 Memòria 3.4.1.9.1 Com afecten els inhibidors Els inhibidors poden causar una reducció en l'eficiència del procés de DA, ja sigui alentint o aturant completament la producció de biogàs. La presència d’inhibidors pot provocar: - Disminució de la producció de metà: En inhibir l'activitat dels bacteris metanogènics, es redueix la quantitat de metà produït. - Inestabilitat del procés: Els inhibidors poden causar fluctuacions en el pH i altres paràmetres operatius, la qual cosa pot portar a la ineficiència general del bioreactor. - Acumulació de productes intermedis: Aquests inhibidors poden impedir la degradació completa dels compostos orgànics, causant una acumulació de subproductes com els AGV, que tenen la capacitat d’acidificar el medi. Hi ha diversos mètodes per evitar i controlar els efectes dels inhibidors, entre els quals destaquen: el control del pH per assegurar-se que es mantingui dins dels rangs òptims; la dilució del substrat juntament amb la codigestió per obtenir relacions C/N òptimes; i, finalment, en casos excepcionals, un airejament controlat per eliminar els sulfurs d’hidrogen del reactor, controlant que no es contamini la mescla amb substàncies externes. 3.4.1.10. Productes intermedis L'estabilitat del procés de la DA es pot mesurar per la concentració de productes intermedis com els àcids grassos volàtils (AGV), que es produeixen durant l'acidogènesi. En substrats com el fem animal, l'acumulació d'aquests àcids pot provocar una disminució significativa del pH. Es solen donar nivells elevats d’AGV quan hi ha una sobrecàrrega de substrat o problemes en el temps de retenció hidràulica (HRT). 3.4.1.11. Agitació de la mescla L’eficiència del procés de digestió anaeròbica (DA) depèn de diversos factors: - Proximitat dels microorganismes als substrats i nutrients disponibles. - Temperatura i pH uniformes. - Temps de retenció hidràulica (HRT) i temps de retenció del fangs (SRT). - Distribució dels residus metabòlics. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 53 Els digestors amb agitació contínua, com els reactors de tanc agitats contínuament (CSTR), estan dissenyats per processar residus orgànics amb concentracions de sòlids totals (TS) del 3% al 10% respecte a la mescla. Aquest procés es realitza generalment a una temperatura mesofílica amb un HRT que varia entre 10 i 20 dies com a mínim. L'agitació contínua dels continguts del digestor es realitza mitjançant la recirculació de gas del líquid, bombeig i a través de l’agitació mecànica o combinacions d’aquests mètodes per mantenir els sòlids en suspensió i formar una mescla homogènia. 1. L’agitació ofereix diversos avantatges: 2. Utilització eficaç de tot el volum del digestor. 3. Prevenció de l'estratificació, com la flotació i sedimentació. 4. Evitació de la formació d’escuma i crosta. 5. Manteniment d’una temperatura i pH uniformes. 6. Dispersió dels productes finals metabòlics i materials tòxics. 7. Facilitat de l’alliberament de biogàs del substrat. 8. Reducció de la mida de les partícules. L'objectiu principal de l’agitació és aconseguir una mescla homogènia del líquid i proporcionar una plataforma uniforme per als microorganismes anaeròbics, cosa que és essencial per obtenir una digestió correcta i evitar problemes com el bloqueig en els digestors. No obstant això, estudis recents han comprovat que una mescla desigual pot crear zones d’iniciació on els metanògens es concentren, facilitant el creixement i la propagació dels metanògens a la resta del digestor. 3.4.2. Principis de funcionament dels reactors A l’hora de processar la matèria orgànica per reconvertir-la en productes d’utilitat i extreure’n energia, es poden realitzar dos processos amb certes similituds: - Digestió anaeròbica Aquest procés es duu a terme en absència d'oxigen. Els microorganismes anaeròbics descomponen la matèria orgànica, produint biogàs, compost principalment per metà i diòxid de carboni, juntament amb el digestat com a subproducte. Aquest procés s'utilitza principalment per a la gestió de residus orgànics i la producció d'energia renovable. Pàg. 54 Memòria - Digestió aeròbica En aquest procés, la descomposició de la matèria orgànica es realitza en presència d'oxigen. Els microorganismes aeròbics descomponen els compostos orgànics, resultant en la producció de diòxid de carboni, aigua i compostos orgànics estables. Aquesta tècnica s’utilitza per al tractament de residus sòlids i líquids, millorant la qualitat del sòl i reduint l'impacte ambiental dels residus. Figura 14: Disseny general d'un digestor anaeròbic [59] Els equips on es duen a terme aquestes digestions s’anomenen digestors. Aquests poden ser classificats en funció de diversos criteris. Generalment, es poden agrupar en tres grans categories segons el mode d’operació: procés continu, procés discontinu (batch) i operació fed-batch. A continuació, es detallen els tipus de digestors que s’ajusten a cada grup. 3.4.2.1. Procés o flux continu En el procés continu, els residus són introduïts al biodigestor de manera ininterrompuda, mentre que el digestat es retira a mesura que entra la matèria a digerir. Això crea un entorn dinàmic on les condicions són relativament homogènies i estables, fet que és crucial per a la salut i l'eficiència dels microorganismes responsables de la digestió. Aquest tipus d'operació permet una producció de biogàs més constant i regular, a diferència del mode batch, on la producció tendeix a ser més variable al llarg del cicle de digestió. Els reactors de flux continu s'utilitzen àmpliament en diverses indústries, especialment en aquelles on es generen fluxos constants i elevats de residus orgànics. Principalment Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 55 s’implanten en explotacions agrícoles a gran escala, com granges de bestiar, on es generen quantitats massives de residus orgànics com purins i restes vegetals, així com en altres indústries amb condicions similars de generació de residus, com la indústria alimentària i el tractament d'aigües residuals. D’aquesta manera, es pot aprofitar la matèria que es descartaria sense un ús aparentment útil, millorant l'eficiència global de producció i aprofitant els recursos d’aquestes indústries. 3.4.2.2. Procés Discontinu (Batch) En el procés discontinu, el digestor es carrega amb matèria orgànica i es deixa funcionar durant un període determinat abans de retirar el digestat. A diferència dels biodigestors de flux continu, on el substrat entra i surt contínuament, els reactors batch permeten un control més gran sobre les condicions de cada cicle de digestió, ja que el procés es realitza en un entorn tancat i controlat. A més, els reactors batch permeten un tractament més exhaustiu del substrat, ja que el temps de retenció hidràulica (HRT) es pot ajustar per assegurar que la matèria orgànica es descompon completament abans de descarregar el reactor. Aquest sistema és adequat per a processos amb variacions en la quantitat de residus o quan es busca una producció de biogàs en cicles. Solen operar en condicions mesofíliques, amb temperatures al voltant dels 35°C, tot i que també poden funcionar en condicions termofíliques, a temperatures més altes, per accelerar el procés de digestió. Un dels desafiaments associats amb els reactors batch és la necessitat de gestionar els cicles d’ompliment i buidatge, que poden requerir una major intervenció manual o una automatització més complexa en comparació amb els sistemes de flux continu. 3.4.2.3. Operació Fed-Batch L'operació fed-batch és un procés que combina el mode batch i el mode continu per optimitzar el rendiment de la digestió anaeròbica i aeròbica, juntament amb altres processos biotecnològics. El procés comença amb la càrrega inicial del substrat, com en un reactor batch tradicional. A mesura que avança la digestió, s'hi afegeix més substrat de manera controlada, mantenint els microorganismes actius i productius. Aquest sistema permet mantenir una concentració òptima de substrat al llarg del procés, evitant inhibicions per excés de nutrients o compostos tòxics. La flexibilitat de l'operació Pàg. 56 Memòria fed-batch facilita l'ajustament de les condicions operatives per maximitzar la producció de biogàs i minimitzar els residus. El ventall d’aplicacions que ofereix l'operació fed-batch és molt ampli. En biotecnologia, s'utilitza per a la producció de proteïnes recombinants i vacunes, millorant el creixement cel·lular i la productivitat. També té un ús essencial en la indústria química, on és útil en la producció d'àcids orgànics i productes especialitzats, controlant la cinètica de reacció i reduint subproductes no desitjats. En la indústria farmacèutica, contribueix a la producció d'antibiòtics i esteroides, millorant els rendiments de fermentació. Finalment, s'aplica en la producció de biocombustibles, com el bioetanol i el biogàs. 3.4.3. Tipus de reactors utilitzats 3.4.3.1. Reactors Contínuament Remoguts (CSTR) Els CSTR són reactors que operen amb una agitació constant per mantenir els sòlids en suspensió i assegurar una mescla homogènia. Aquests reactors es caracteritzen per un temps de retenció hidràulica (HRT) que pot arribar als 10-20 dies i funcionen a una temperatura mesofílica d’aproximadament 35°C. Són aptes tant per substrats amb baixa concentració de sòlids com per fluxos més densos en substrat. Figura 15: Reactor de tanc agitat continu [60] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 57 El substrat passa pel sistema d’entrada i es barreja amb el contingut existent. La mescla homogeneïtzada es manté en suspensió mitjançant l’agitació constant i el digestat es drena per la sortida. Ofereixen una bona mescla, estabilitat del procés i operació flexible, però poden patir de costos de manteniment elevats a causa de l’agitació. [23][24] 3.4.3.2. Reactors de Flux Ascendent (UASB) Els reactors UASB utilitzen una estructura vertical en què el substrat flueix cap amunt des del fons del reactor. Són eficaços en el tractament d’aigües residuals amb alta càrrega orgànica. El flux ascendent permet que els sòlids flotants es mantinguin en contacte amb els microorganismes, facilitant la separació del biogàs a la part superior. Disposen d’una elevada eficiència en la reducció de la càrrega orgànica i una bona separació del biogàs, però perden eficiència en la gestió dels sòlids flotants i sedimentats 3.4.3.3. Reactors de Flux Continu amb Reflux (AFR) Els reactors AFR utilitzen un sistema de reflux que retorna una part del digestat al reactor, incrementant la concentració de biomassa activa. Aquest disseny és especialment útil per a processos que requereixen una alta eficiència de conversió i més temps per a la descomposició de la matèria orgànica. Els reactors AFR permeten una Figura 16:Reactor anaeròbic de llit de fangs per flux ascendent [61] Pàg. 64 Memòria 3. Acetogènesi sintrofica Els productes d’acidogènesi com l’acetat, formiat, H₂ i CO₂ poden ser utilitzats directament per metanògens per a la producció de biogàs, mentre que altres productes com el propionat, butirat, isobutirat, valerat i isovalerat no poden ser utilitzats per cap metanògen conegut. Aquests han de ser degradats i transformats en substrats per a la metanogènesi a través de l’acetogènesi sintròfica, durant la qual els productes d’hidròlisi i acidogènesi són degradats i oxidats en acetat, H₂ i CO₂. L’oxidació sintròfica del propionat és especialment important, ja que aproximadament el 30% dels electrons generats a partir de substrats complexos passen pel propionat durant l’AD (Speece et al., 2006). Els àcids grassos de cadena mitjana (MCFA) i LCFA de la hidròlisi de lípids també necessiten ser oxidats a acetat, H₂ i CO₂ a través de l’acetogènesi sintròfica. A menys que la pressió parcial de H₂ es mantingui molt baixa (< 10⁻⁴ atm), l’acetogènesi sintròfica és termodinàmicament desfavorable. Els metanògens hidrogenotòfics viuen a prop dels acetògens sintròfics en els bioreactors d’AD i consumeixen l’H₂ alliberat per aquests. Aquesta relació sintròfica es basa en la transferència d’hidrogen entre espècies (IHT) dels bacteris productors d’H₂ amb els metanògens hidrogenotòfics. L’acetogènesi sintròfica és crucial per mantenir l’operació estable i robusta dels bioreactors d’AD, ja que alguns SCFA, especialment el propionat, són potents inhibidors dels metanògens fins i tot a pH neutre. 4. Metanogènesi La metanogènesi és realitzada per metanògens, un grup especialitzat d’arqueobacteris. Es poden categoritzar en tres grups segons els substrats i vies de metanogènesi: - Metanògens acetotòfics (o acetoclàstics), que utilitzen l’acetat per produir metà (CH₄). - Metanògens hidrogenotòfics, que utilitzen formiat i H₂ per reduir CO₂ a CH₄. - Metanògens metilotòfics, que produeixen CH₄ a partir de compostos metílics, com metanol, metilamines i metilsulfurs. Els metanògens també es divideixen en tres classes (Anderson et al., 2009). Les classes I i II són metanògens hidrogenotòfics que utilitzen formiat, H₂ i CO₂ com a substrats per a la metanogènesi i són importants en el procés d’AD per la seva capacitat de recollir H₂ i mantenir la pressió parcial d’hidrogen baixa. La classe III de metanògens pot utilitzar altres substrats com l’acetat, metanol i altres compostos C1. En els bioreactors d’AD, Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 65 aproximadament dos terços del metà es produeixen a partir de l’acetat, i aproximadament un terç es produeix a partir de H₂ i CO₂, amb una producció mínima de CH₄ a partir de metanol, metilamines i metilsulfurs. En comparació amb altres bacteris en els bioreactors d’AD, els metanògens creixen més lentament i són més sensibles als disturbis ambientals, com la disminució del pH i l’acumulació de SCFA o amoníac. Figura 21: Recull d’imatges de diversos bacteris metanògens [66] 3.5.3. Via Alternativa de Producció de Metà El metà també pot ser produït a través d’una via alternativa en certes condicions. Aquesta via combina l’oxidació sintròfica de l’acetat a H₂ i CO₂ per bacteris oxidants d’acetat sintròfics i la conversió de H₂ i CO₂ a CH₄ per metanògens hidrogenotòfics. Aquesta via no és predominant en la producció de biogàs en la majoria dels bioreactors d’AD, ja que els bacteris oxidants d’acetat sintròfics no són tan competitius com els metanògens acetotòfics. No obstant això, quan els metanògens acetotòfics, principalment espècies de Methanosaeta, són inhibits per condicions com una alta concentració d’amoníac o alta temperatura d’operació, aquesta via es torna important per a la producció de biogàs. Aquesta via també és afavorida quan el temps de retenció hidràulica és llarg. En conjunt, múltiples grups tròfics de microorganismes estan involucrats i són importants per a la producció de biogàs. Mantenir un equilibri entre els quatre grups tròfics de microorganismes és crucial per a un procés d’AD estable i robust. Pàg. 66 Memòria 4. Materials i equips Per tal de dur a terme aquest treball, de tipologia teòrica, no ha estat necessari l’ús de materials físics o equips experimentals. No obstant això, cal fer menció de les diverses eines que han estat utilitzades en el procés de recopilació i anàlisi d’informació: S’ha fet ús dels recursos que oferia ser estudiant de l’ETSEIB, especialment per accedir a llibres de text i revistes relacionades amb el camp d’estudi, així com de diverses webs amb recursos científics com són ScienceDirect o ResearchGate. Això ha permès fonamentar els conceptes tècnics necessaris per al desenvolupament del treball. Per ampliar els coneixements en determinades àrees, com ara la mecànica de fluids i la termodinàmica, s’han aplicat els conceptes apresos durant la formació a l’ETSEIB. El programari SolidWorks ha estat utilitzat per al disseny tridimensional dels models requerits. També s’ha fet ús de VisiMix Fluent per simular el comportament de fluids en entorns complexos, centrats en la ciència dels digestors. Per a l'estudi econòmic, s’ha emprat Presto com a eina de gestió i pressupost, així com diverses eines oferides a través de Microsoft i Google per a l’organització i el tractament de la informació recollida. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 67 5. Estudis 5.1. Hort urbà Normalment, és comú iniciar amb el capítol de necessitats, on es defineixen les necessitats per resoldre una problemàtica. No obstant això, a causa de la naturalesa del cas d'estudi d'aquest projecte, en comptes de definir necessitats, es busca proporcionar una solució. L'objectiu és fer ús de tots aquells recursos que, a priori, no disposen de valor afegit i suposen una càrrega de la qual desfer-se. Els principals recursos dels quals es vol fer ús són les restes de l'agricultura d'un petit hort urbà, juntament amb els residus orgànics generats que puguin ser aportats per veïns. Amb l’objectiu de reduir la quantitat de deixalles que acaben a l'abocador cada any i disminuir així les emissions de gasos d'efecte hivernacle associades a la descomposició de matèria orgànica en aquests espais, es vol oferir una opció intel·ligent i sostenible que beneficiï tant el medi ambient com la comunitat de veïns. Per tal de poder quantificar la quantitat de material que es digestarà als reactors, primer caldrà escollir quin hort serà el que formi part de l’estudi. Per dur a terme aquesta comparació, s’han tingut en compte la participació de la comunitat, les iniciatives sostenibles, l’espai del qual es disposa i, en general, l’activitat d’aquest hort. Després de comparar diferents opcions, he decidit centrar-me en un hort que forma part del meu barri. Aquest hort no només compleix els requisits tècnics necessaris, com la disponibilitat d'espai i la proximitat a les fonts de residus orgànics, sinó que també està fortament arrelat a la comunitat local. La seva ubicació al barri facilita la participació dels veïns en el projecte, fomentant un sentit de propietat compartida i reforçant els vincles comunitaris. Aquest hort va ser inaugurat durant l’alliberament de l'antiga fàbrica tèxtil de Can Batlló [31] fa 15 anys. Durant molts anys, aquest hort ha estat ubicat en un petit terreny sense poder aprofitar tot el seu Potencial dins de Can Batlló, però els últims cinc anys s'ha dut a terme un procés de remodelació per adaptar l'espai a les necessitats del barri, centrant-se en la unificació de la comunitat i vetllant per la sostenibilitat del barri. Pàg. 68 Memòria L’ hort ja té una trajectòria d'iniciatives sostenibles, cosa que el fa especialment adequat per a un projecte de producció de biogàs i compost. La seva integració al barri assegura que els beneficis del projecte, tant en termes d'energia renovable com de fertilitzant orgànic, siguin directament percebuts pels residents, contribuint així a una major consciència ambiental i a un ús més eficient dels recursos disponibles. Està situat a prop de la cantonada del Carrer de la Constitució amb el Carrer de la Parcerisa, dins dels terrenys propis de l’antiga fàbrica de Can Batlló, encara en construcció i renovació, on s’espera que es creïn més espais comunitaris. Figura 23:Imatge satèl·lit de l'hort d'estudi [67] Figura 22:Imatge satèl·lit de Can Batlló [67] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 69 En quant a les característiques tècniques de l’hort, actualment aquest disposa d’una àrea total de 1.236 m² amb un perímetre de 130 m lineals delimitats per una reixa. En termes de disponibilitat de sol per al cultiu, s’estima que una extensió de terreny propera al 75% de l’àrea total es destina plenament al cultiu, deixant prop de 950 metres quadrats útils. A les jardineres i sòls conreables d’aquest hort s’hi cultiven tot tipus de fruites, verdures i hortalisses segons l’època de l’any, amb un cultiu que varia segons les estacions i el clima. Principalment, durant els mesos més calorosos, a l’estiu i a finals de primavera, es cultiven tomàquets, pebrots, enciams i patates, destinant també porcions de terreny més reduïdes a la producció de cebes. A les petites jardineres hi solen disposar d’herbes aromàtiques, de les quals s’aprofita la gran majoria del material orgànic produït per la planta. Durant la tardor i l’hivern es poden plantar cols, espinacs, pastanagues, diversos tipus de cebes, faves i alls. També disposen d’alguns arbres fruiters ubicats al centre i als extrems, que produeixen molta fulla i fruites com les plataners, generant una gran quantitat de matèria orgànica durant la poda i la caiguda de fulles a la tardor per a les varietats de fulla caduca. Parlant amb els socis que solen treballar l’hort i a partir d’un càlcul general de les quantitats produïdes pels tancs compostadors dels que disposen actualment, s’ha estimat una producció total de 150 kg de compost estables cada mes, amb l’opció d’emmagatzemar part d’aquest material per a la seva distribució constant, així com la combinació amb el material orgànic produït per veïns que poden aportar-ne cada mes. Per a visualitzar millor l’hort a partir de fotografies de la visita, sobre el model consultar capítol “14.3 Imatges de la visita al hort” l’annex. 5.2. Tipologia del bioreactor escollida Un cop observats els diversos models de reactors que es fan servir actualment, podem començar a descartar tipologies a partir del nostre cas d’estudi per acabar seleccionant el digestor que millor s’adapti a les nostres necessitats. Com que un dels objectius principals del procés és obtenir metà, des del principi s’haurà de descartar els digestors de tipus aeròbic, ja que aquests funcionen insuflant aire a través del substrat a digerir per tal d’aportar oxigen als microorganismes que realitzen la descomposició de la matèria orgànica. Per això, aquests tipus de digestors són en la seva majoria de tipus “cel obert”, ja que tot aquest oxigen que travessa la mescla surt Pàg. 70 Memòria del digestor cap al medi ambient, re-prenent l’aire del propi medi i formant un circuit obert. Existeixen digestors aeròbics tancats, però aquests requereixen un control avançat, el qual es pot complicar encara més si l’objectiu és l’obtenció de biogàs. Normalment, no s’utilitzen processos de digestió aeròbica si l’objectiu principal és l’obtenció de gas, ja que el procés aeròbic no genera biogàs de manera eficient. Durant aquest procés, els microorganismes utilitzen oxigen per descompondre la matèria orgànica en CO₂, aigua i biomassa microbiana. Això significa que l'energia Potencial de la matèria orgànica es converteix en gran part en calor, CO₂ i biomassa, sense produir quantitats significatives de metà (CH₄), que és el component principal del biogàs. A part de la ineficiència del procés, per poder captar aquest gas caldria utilitzar un reactor tancat i realitzar un complex procés per separar aquest gas de l’aire re-circulat, cosa que complicaria i augmentaria el cost total del projecte. Dins dels digestors anaeròbics, ens centrarem en aquells que utilitzen el procés fedbatch. A diferència dels processos continu, en els quals la matèria orgànica s’afegeix de manera constant i es retira el digerit i el biogàs de manera proporcional a l’entrada, el procés fed-batch permet una alimentació regular i controlada. Aquest mètode pot ser molt eficient en termes de producció, però requereix un control estricte de les condicions del reactor per evitar problemes com l’acumulació de materials tòxics o l’acidificació, que podrien desestabilitzar el procés. La complexitat tècnica i els costos associats amb el manteniment de condicions òptimes constants poden ser elevats. En el cas d’estudi, no es disposa del volum d’entrada necessari de matèria ni d’una automatització de l’entrada i retirada del digestat, cosa que fa que aquest mètode sigui una opció més factible en processos industrials o tractaments d’aigües on sí que es solen donar aquestes condicions. Cal descartar els processos de tipus batch, on es carrega tot el material orgànic al bioreactor d'una sola vegada, es permet que es digereixi completament i es procedeix al buidatge del reactor per reiniciar de nou el cicle. Tot i que aquest mètode pot ser senzill de gestionar, té desavantatges significatius en termes de producció de biogàs. L'activitat microbiana varia considerablement al llarg del cicle, amb una producció de biogàs alta al principi que disminueix a mesura que s’esgota el substrat. Després de cada cicle, cal reiniciar tot el procés, cosa que comporta temps morts i ineficiències en la producció. Donat el cas que es presenta en aquest treball, encara que podria dur-se a terme, no és una opció factible a causa de la reduïda quantitat d'inòcul microbià, la inconsistència d’aquest model i el treball que caldria realitzar cada cop que es completa un batch. Això implicaria reiniciar-lo constantment, resultant en moltes hores de treball per a la comunitat. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 71 En canvi, el procés de tipus fed-batch combina els avantatges dels dos mètodes anteriors. Permet una alimentació regular i controlada de la matèria orgànica, la qual cosa ajuda a mantenir un nivell d'activitat microbiana constant i una producció de biogàs més estable al llarg del temps. Al no requerir la interrupció del procés per buidar completament el reactor, es minimitzen els temps morts i es maximitza l'eficiència global del sistema. Aquest tipus de procés també permet una major flexibilitat en la gestió del bioreactor, ja que és possible ajustar la freqüència i la quantitat d’alimentació en funció de les necessitats específiques del sistema i de les característiques del material orgànic disponible. Dins dels tipus de digestors que funcionen amb el procés fed-batch, ens centrarem en els reactors contínuament remoguts (CSTR), ja que són els que millor s’adapten a les necessitats, sent dels més compactes, estables i requerint poc manteniment en aquestes escales. 5.2.1. Geometria del reactor Per tal de dissenyar un digestor CSTR, primer cal determinar la forma geomètrica adequada que tindrà el reactor. Aquest tipus de digestor consta de diversos elements clau, essent el més característic i de majors dimensions el tanc principal, on es duu a terme la digestió anaeròbica. Aquest tanc és essencial per a la mescla contínua del contingut, assegurant una distribució uniforme dels substrats i els microorganismes. Del tanc principal surten diverses canalitzacions que connecten amb altres components del sistema, com ara les canonades d'entrada de la matèria orgànica i les canonades de sortida per a l'extracció del digestat i del biogàs produït. Normalment, els tancs CSTR solen tenir formes específiques. Entre les més utilitzades, hi ha: 1. Cilíndrica És la forma més típica, on el reactor té una base circular i parets rectes. Aquesta forma facilita l'agitació interna i permet una distribució homogènia del contingut. 2. Cubica o rectangular En alguns casos, especialment per a reactors més petits o per a aplicacions específiques, es poden utilitzar reactors amb formes cúbiques, rectangulars o altres formes prismàtiques. Tot i això, aquestes formes poden presentar Pàg. 72 Memòria desavantatges en termes de mescla ineficient, generant punts d’acumulació de material i punts d’acumulació de tensions. 3. El·líptica En alguns dissenys, la base del reactor pot ser el·líptica en lloc de circular, oferint certes avantatges en termes de distribució del flux o l'espai disponible. 4. Amb fons cònic tipus “silum” Alguns CSTR poden tenir un fons en forma de con o truncat per facilitar la recirculació dels fluids o la descàrrega de sòlids acumulats. En aquest cas, s’escollirà el model cilíndric amb un fons arrodonit poc pronunciat. La forma cilíndrica permet una agitació més eficient, ja que el flux de líquid es distribueix de manera uniforme al voltant del tanc, evitant així zones mortes on els residus podrien acumular-se i descompondre’s de manera desigual. Els tancs cilíndrics són estructuralment més robustos i poden suportar millor les pressions internes i externes, cosa important si el reactor treballa a pressió o si es requereix un cert grau d’aïllament tèrmic per mantenir-lo a una temperatura específica. Aquesta resistència permet construir-los en diferents mides, adaptant-se a les necessitats de l'hort. Finalment, un tanc cilíndric és més fàcil de construir i mantenir. La seva forma simple i la distribució de tensions permeten utilitzar materials comuns de construcció, reduint els costos i la complexitat de la fabricació. També facilita la neteja i el manteniment, ja que no té angles ni racons difícils d’assolir on es poden acumular residus o patògens. Per determinar les dimensions òptimes d'un tanc cilíndric per a la digestió anaeròbica, cal tenir en compte diversos factors clau que influiran directament en l'eficiència i capacitat del sistema. Aquests factors s'han de considerar amb deteniment per assegurar que el tanc compleixi els requisits específics del procés i les necessitats de l'hort urbà. - Volum de Substrat El primer pas és determinar la quantitat de residus vegetals que es processaran a cada feeding del reactor. Aquesta informació permetrà calcular el volum necessari del tanc per garantir que hi hagi suficient espai per al procés de digestió complet sense sobrecarregar el sistema. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 73 - Temps de Retenció Hidràulic (TRH) Aquest paràmetre fa referència al temps que el substrat romandrà dins del reactor per assegurar una digestió completa. El TRH o “Hidraulic Retention Time” (HRT)en anglés es determina segons el tipus de residu i les condicions de temperatura i pressió. Un temps de retenció adequat garanteix que els microorganismes puguin descompondre de manera efectiva els materials orgànics, maximitzant la producció de biogàs. Es calcula de la següent manera: 𝐻𝑅𝑇=𝑉 𝑄 V:Volum del digestor [L] Q:Tasa mitja de càrrega volumètrica diària [L/dia] Volum del digestor: Fa referència al volum de treball, aquell que esta emplenat de la mescla [L] Tassa mitja de càrrega volumètrica: Quantitat promitja en volum de MO que afegim al reactor per dia [L] - Relació Alçada-Diàmetre La relació entre l’alçada i el diàmetre del tanc és crucial per a una bona agitació i distribució dels residus. Una relació inadequada pot provocar una barreja ineficient, amb la conseqüent pèrdua d’eficiència en la digestió. - Capacitat de Producció de Biogàs S'ha de calcular el volum de biogàs que es produirà per determinar la capacitat necessària de recollida de gas. Aquest càlcul influirà tant en el disseny del tanc com en les instal·lacions auxiliars, com el sistema de captació i emmagatzematge de gas. - Temperatura de Funcionament El tanc ha de tenir una mida que permeti mantenir la temperatura òptima per als microorganismes involucrats en la digestió. La mida del tanc afectarà la capacitat d’aïllament tèrmic, especialment en climes freds, on caldrà garantir que el sistema pugui mantenir la calor necessària per a una digestió eficient. Pàg. 80 Memòria gasos produïts en un biodigestor. Pot suportar temperatures elevades, generalment fins a 800°C, cosa que el converteix en una opció molt adequada per a la majoria de condicions operatives del biodigestor. Ofereix una alta resistència a la pressió interna, evitant així fuites. No obstant això, l’acer inoxidable és relativament car en comparació amb altres materials, cosa que pot augmentar el cost total del biodigestor. Les seves avantatges inclouen durabilitat, alta resistència a la corrosió i robustesa estructural, mentre que el seu principal desavantatge és el cost inicial. - Polipropilè (PP) reforçat El polipropilè reforçat, juntament amb altres plàstics amb característiques similars, com el polietilè o fins i tot el PVC per a temperatures de treball més baixes, presenta una bona resistència a la corrosió i és resistent a molts àcids i bases, cosa que el fa adequat per a ambients de biodigestor. Aquest material suporta temperatures de fins a 100°C, suficient per a la majoria dels processos. Ofereix una resistència adequada a la pressió interna en aplicacions de baixa a mitjana pressió i és més econòmic que l’acer inoxidable, reduint així el cost total del biodigestor. Entre els seus avantatges es troben el cost reduït, la bona resistència a la corrosió i la facilitat de processament. Tanmateix, el polipropilè reforçat té una menor resistència a temperatures elevades i és menys robust en comparació amb l’acer inoxidable. - Fibra de vidre reforçada amb plàstic (FRP) La fibra de vidre reforçada amb plàstic (FRP) destaca per la seva excel·lent resistència a la corrosió, fet que la fa ideal per a ambients amb alta humitat i contacte amb residus orgànics. Suporta temperatures de fins a 120°C, adequades per a la majoria dels processos en un biodigestor. A més, és adequada per manejar pressions internes, tot i que en aplicacions d'alta pressió pot ser necessari reforçar-la. El seu cost és intermedi, generalment més econòmic que l’acer inoxidable però més car que el polipropilè. Els seus avantatges inclouen lleugeresa, resistència a la corrosió i adequació per a temperatures i pressions moderades, mentre que els seus desavantatges són una menor robustesa en comparació amb l’acer inoxidable i la necessitat de manteniment addicional. 5.2.1.2. Material escollit Després d’avaluar els materials disponibles, es recomana el polipropilè reforçat per a la construcció del tanc. Aquesta opció resulta significativament més econòmica que l’acer inoxidable i ofereix una bona resistència a la corrosió. El polipropilè reforçat suporta les temperatures a les quals s'espera treballar i les pressions de treball del biodigestor amb Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 81 un bon marge de seguretat. A més, és fàcil de processar i fabricar, simplificant el disseny i la construcció del biodigestor. Tot i que l’acer inoxidable ofereix la millor durabilitat i resistència, el seu alt cost pot ser una limitació per a projectes amb pressupostos ajustats, i és més comú en usos industrials. La fibra de vidre reforçada també és una opció viable, però el polipropilè reforçat, en ser un biodigestor de dimensions reduïdes, ja compleix amb els requisits del projecte de manera efectiva. 5.3. Generació de biogas Com que l'objectiu principal és la producció de biogàs i digestat, serà necessari establir la generació d'aquests per al nostre model, basant-nos en les característiques esmentades anteriorment. En aquest cas, el càlcul del digestat ja s'ha determinat prèviament com el cabal màssic de sortida del digestor. No obstant això, les propietats d'aquest són difícils de calcular amb precisió, degut a la gran variació que poden experimentar segons el tipus de material digerit i les condicions en què s'ha dut a terme el procés. Si l'estudi es centrés en les propietats específiques d'aquest digestat, seria necessari dur a terme un estudi complementari en un laboratori per determinar correctament les característiques d'interès del digestat. Per a obtenir més informació sobre les metodologies actuals per a la estimació en generació de biogas consultar capítol “14.4 Metodologia per a l’estimació de biogas produït” de l’annex. 5.3.1. Metodologia emprada en la estimació i estudis de referència Degut a les circumstàncies d’aquest estudi, no s'ha realitzat una prova experimental en un bioreactor de laboratori, tot i que aquesta hauria estat la manera més precisa d'obtenir resultats fiables. Doncs aquest estudi se centra en una àmplia varietat d'aspectes, sense entrar en detall en cadascun d’aquests, com podria ser la producció exacta mensual de metà. L'objectiu és fer una idea general de la factibilitat del procés i del que es pot arribar a obtenir. Per tant, s’ha optat per utilitzar altres mètodes, com ara la revisió de registres d'experiments similars i l'anàlisi del Potencial bioquímic de metà del material a tractar. Aquesta aproximació permet obtenir dades representatives sense la necessitat de dur a terme experimentació en un laboratori. Pàg. 82 Memòria A partir de l’estudi “Anaerobic Digestion of Fruit and Vegetable Processing Wastes for Biogas Production”[33], es van extreure una sèrie de valors d’interès: Taula 2: Resultats Obtinguts a l'estudi [33] Indicador Unitats A B C D E HRT dies 8 12 16 20 24 Matèria Nom Restes de fruites en aigua (1,8L per dia afegits) Material afegit g 1800 1800 1800 1800 1800 Densitat kg/m3 1000 1000 1000 1000 1000 Sòlids Totals % 4 4 4 4 4 Sòlids Totals g/kg 40 40 40 40 40 Sòlids Volàtils g/kg 37,7 2 37,7 2 37,7 2 37,7 2 377, 2 pH 4,6 6,1 7,1 7 7,1 Alcalinitat g/kg 8,11 6 4,11 2 1,68 2 2,01 8 1,45 1 Amoníac g/kg 0,58 0,24 0,09 8 0,08 5 0,14 6 Producció diària de gas L 27,5 28,5 49 53,5 37 Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 83 Taxa de producció de gas vol/vol/dia 0,62 0,63 1,09 1,2 0,82 Rendiment del gas m3/kg VS afegit 0,13 0,2 0,49 0,63 0,52 Rendiment del gas m3/kg TS afegit 0,13 0,19 0,44 0,6 0,5 Gas metà % 22 47,2 51,1 58,4 61,2 Producció específica de metà m3/kg VS afegit 0,03 0,09 0,25 0,37 0,32 TVF com a acetats mg/L 6430 2310 610 322 341 Amb unes produccions de biogàs y estabilitat de pH durant 5 períodes de 25 dies cadascun plasmades a la gràfica vista anteriorment: Reprenent l’estudi [33], podem prendre com a referència la producció de gas i el rendiment de gas, on es dona una producció de m³ de gas per cada kg de sòlids volàtils de la matèria orgànica (MO) afegida, segons els dies de temps de retenció hidràulic Figura 25: Gràfic de producció de gas, metà i nivell de pH durant 5 períodes de 25 dies [33] Pàg. 84 Memòria (HRT). Es pot comprovar que aquesta producció incrementa considerablement a partir dels 16 dies d'HRT. Realitzant una sèrie de càlculs per convertir les unitats de m³ de gas per kg de sòlids volàtils a L/kg de matèria orgànica, podem simplificar el càlcul de la nostra producció de biogàs. Per obtenir aquestes noves unitats, es realitzaran els següents canvis de base: 𝐿 𝑔𝑎𝑠 𝑘𝑔𝑀𝑂=𝑚3 𝑘𝑔𝑉𝑠·1000𝐿 𝑚3·0,94𝑉𝑠 1 𝑇𝑠 ·0,04𝑇𝑠 1 𝑀𝑜 = 37,68𝐿 𝑔𝑎𝑠 𝑘𝑔𝑀𝑂 Que multiplicant per les files corresponents a el rendiment de gas i producció específica de metà ( 𝑚3 𝑘𝑔𝑉𝑠) ens resulten en : Taula 3: Producció de gas a partir de l'estudi [33] A B C D E Rendiment de gas (L/kg) 4,9 7,54 18,46 23,74 19,59 Producció específica de metà (L/kg) 1,13 3,39 9,42 13,94 12,06 Un altre dels estudis que desperta un gran interès, degut a la similitud entre els casos, és l'estudi “Biogas Generation in a Vegetable Waste Anaerobic Digester: An Analytical Approach” [34]. En aquest estudi, mostres de restes agrícoles es van introduir en reactors de laboratori amb una capacitat de 500 ml i un volum de treball de 300 ml. En aquest experiment, es buscava determinar la producció de biogàs més eficient, col·locant inicialment diverses quantitats de matèria orgànica i deixant que el reactor actués. A continuació es presenten taules amb les característiques de les restes de fruites principals mesclades, així com taules amb les característiques de la mescla i de la mescla diluïda en aigua, i els resultats segons la quantitat inicial introduïda. Taula 4: Característiques del material orgànic digerit a l'estudi [34] Component Unitats Pastanaga Mongetes Albergínia pH 5,4 5,8 5,7 Humitat g/kg 899 9029 894 Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 85 Carbohidrats g/kg 56 41 57 Greixos g/kg 2 2 1,9 Proteïna g/kg 6 19 10,1 Taula 5: Resultats obtinguts a l'estudi [34] A partir del gràfic de producció total en ml de biogàs segons la massa inicial, podem estimar els HRT (temps de retenció hidràulic) ideals. En el gràfic, es pot observar que, a partir d’un cert moment, la producció de biogàs es deté. Això es pot veure quan la gràfica passa de tenir un pendent positiu a un pendent horitzontal. Si anotem el moment en què aquest canvi de pendent es torna més sobtat per a cada prova, podem determinar el dia en què els microorganismes han digerit gairebé completament el material. En aquest moment, seria necessari afegir una nova quantitat de substrat per començar un nou cicle i continuar amb la producció. Per calcular els HRT, utilitzarem de nou la fórmula: 𝐻𝑅𝑇= 𝑉 𝑄𝑑𝑖𝑎 Màxim dies 3 4 4 3 6 8 9 NA NA HRT dies 50,00 44,44 30,77 20,00 31,58 30,77 26,47 NA NA Matèria Nom 0,6 0,9 1,3 1,5 1,9 2,6 3,4 4,3 4,7 Material afegit g 18 27 39 45 57 78 102 129 141 Gas produït acumulat ml(19 dies) 788 1715 2685 1967 3368 3764 825 669 194 Reducció de TS % 60 63,90 80,60 78,40 83,20 77,80 50,30 49 27,10 Reducció de VS % 77,40 85,40 86,70 86,90 86,30 86,30 69,60 51,60 35,90 Gas produït L/kg(19dies) 43,78 63,52 68,85 43,71 59,09 48,26 8,09 5,19 1,38 Gas produït ml/g·dia 2,30 3,34 3,62 2,30 3,11 2,54 0,43 0,27 0,07 Pàg. 86 Memòria Per tal d’aïllar la 𝑄𝑑𝑖𝑎 dividim el total de la matèria afegida al reactor entre els dies en què la pendent de la variació del biogàs acumulat és positiva, equivalent al màxim del gràfic. Ens queda el següent: 𝐻𝑅𝑇= 𝑉 𝑄𝑖 𝐷𝑚𝑎𝑥 On: V: Volum de treball del reactor [ml], en aquest cas 300ml. 𝑄𝑖: Volum inicial de materia[ml], simplificant la densitat com a 1g/ml degut al elevat contingut en aigua de les restes. 𝐷𝑚𝑎𝑥: Dia a partir del qual la producció de biogàs decau [dies], dies de cicle. Observant les HRT, ens adonem que en els casos on la producció de biogàs ha estat més estable i productiva durant els dies de cicle, es troben entre 20 i 50 dies. Cal esmentar també que, encara que pot semblar que la producció només és bona per als experiments amb 0,26 g VS i 0,19 g VS, el pendent durant els dies de cicle dels experiments amb concentracions de VS entre 0,06 i 0,34 g VS és molt similar o millor. Això es reflecteix en la producció total, i no només en la relativa a la VS inicial. Per tant, encara que no disposin de la mateixa eficiència per convertir els VS en biogàs, la seva producció és també bona si es respecten els HRT. En aquest cas, descartarem els dos últims experiments amb concentracions de VS de 0,43 i 0,47, on es va observar una inhibició del procés. Aquesta inhibició es deu a l'aplicació d'una concentració de substrat massa elevada, la qual ha superat la capacitat de processament dels microorganismes quan aquests no disposaven d'una colònia suficient dins del reactor. En termes senzills, quan es proporciona més material orgànic del que els microorganismes poden digerir eficientment, es poden produir diversos problemes que afecten negativament el procés. En un bioreactor on s’hagués realitzat un procés d’acondicionament més extens dels microorganismes, com l'aplicació de calor o una mescla homogènia, no s’hauria donat el cas d’inhibició o les condicions d’inhibició serien per a càrregues de matèria més elevades. En conclusió, el primer article ens dona una idea de la producció de biogàs i del percentatge d’aquest en metà en un cas de funcionament normal d’un reactor, variant la producció i els percentatges en metà segons els temps de retenció hidràulica. En canvi, el segon article ens proporciona una idea de les produccions màximes ideals de gas produïdes per matèria orgànica, conegut com a Potencial bioquímic en metà de la Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 87 matèria procedent de restes vegetals amb una composició molt similar a la del primer estudi. És important tenir en compte que part dels residus de l'hort seran fulles i altres estructures de la planta, no només restes de fruites i verdures, amb una composició diferent en comparació amb les restes dels estudis. Això podria afectar negativament la producció total de biogàs i metà, ja que aquests materials vegetals solen contenir menys sucres, àcids orgànics i compostos volàtils, els quals són essencials per a la nutrició dels microorganismes responsables de la producció de biogàs. S'ha de considerar, però, l'eficiència del bioreactor. En aquest estudi, es pretén operar el reactor en condicions més favorables respecte a les documentades en estudis anteriors. A més, es preveu co-digerir la mescla amb residus orgànics, incloent una quantitat significativa de matèria animal, la qual cosa podria millorar la producció de biogàs. Per proporcionar una visió general de la capacitat de producció, tenint en compte tots els punts mencionats anteriorment, es valoren com a correctes els valors de producció de gas obtinguts dels articles, establint un marge màxim i mínim. A partir del primer estudi, prenent els valors de producció obtinguts per als HRT entre 16 i 24 dies, es troba que la producció en litres de biogàs per kg de matèria orgànica es troba entre 18,46 L i 19,59 L. Per a la producció de litres de gas metà per kg de matèria orgànica, el reactor es trobaria entre 9,42 L i 12,06 L. Per confirmar que les produccions siguin possibles, contrastem amb els números obtinguts en el segon article, on observem que en les condicions ideals on la quantitat de matèria orgànica al reactor és la que millor s’adapta i afavoreix la descomposició per part de les colònies microbianes, la producció de biogàs per kg màxima pràctica que es pot obtenir oscil·la entre 43,7 L/kg MO i 68,85 L/kg MO. Veiem que en les condicions de treball normals del reactor, la producció és entre un terç i la meitat de la producció Potencial total de gas que es podria obtenir. Com s’ha esmentat anteriorment, això és causat pels temps de retenció hidràulica; el material en el primer experiment es retira del bioreactor en mitjana abans de poder-se descomposar completament, a canvi de disposar d’una estabilitat constant de producció i condicions, i per eliminar residus tòxics que es van acumulant al digestor. Considerant els 32,5 kg que s’hi abocaran al reactor cada setmana, i multiplicant per les produccions màximes i mínimes calculades, obtenim una producció setmanal entre 600 i 772 L de biogàs i 306 i 392 L de gas metà, essent el reactor més eficient quan el percentatge d’aigua sigui del 80% i disminuint fins al mínim per al 60% d’aigua. Cal considerar, però, que Potencialment, en cas d’un reactor amb una eficiència màxima, Pàg. 88 Memòria es podria arribar a un límit de 2238 L de biogàs per kg de matèria orgànica setmanals per a la descomposició completa del material per part dels microorganismes. Per a la demostració de funció de generació de biogas a partir de potencial bioquímic de biogas i metà, consultar capítol “14.5 Funció de generació de biogas segons el temps a partir de potencial bioquímic de biogas i metà” de l’annex. 5.4. Ciència de l’agitació en bioreactors El sistema d'agitació d'un digestor és fonamental per garantir una mescla homogènia i una eficàcia òptima en el procés de digestió anaeròbica. Aquest sistema es compon principalment de quatre components clau: el motor, encarregat d’aportar el moviment; el mecanisme reductor, que varia la velocitat i el parell del motor; l’eix de transferència, que transmet la força al tanc; i, finalment, el rodet, que és l'element encarregat de transferir la rotació al líquid dins del tanc.[35][36] 5.4.1. Rodets en Sistemes d'Agitació Els rodets, divideixen principalment en dues categories segons la direcció del flux que generen: els rodets de flux axial i els rodets de flux radial. - Rodets de Flux Axial Els rodets de flux axial generen un flux que és paral·lel a l'eix dels rodets. Aquests rodets normalment adopten formes com les de les hèlixs i estan dissenyats per provocar una mescla uniforme en la direcció longitudinal del tanc. El seu disseny permet una circulació eficient del líquid en el mateix sentit que l'eix d'agitació, facilitant una distribució homogènia del material dins del digestor. - Rodets de Flux Radial D'altra banda, els rodets de flux radial produeixen un flux en direcció radial o tangencial a l'eix d'agitació. Aquest tipus de rodets poden adoptar formes com les pales o les turbines. Els rodets de flux radial són especialment útils per crear un moviment de líquid que ajuda a evitar zones mortes dins del tanc i a assegurar una bona barreja del substrat a les zones perifèriques del digestor. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 89 Figura 26:Esquema de funcionament segons tipologia de rodets [68] 5.4.2. Disseny i Dimensions dels Rodets La selecció del tipus de rodets i les seves dimensions són fonamentals per a l'eficàcia de l'agitació. La longitud del rodets en un agitador de paletes, per exemple, oscil·la entre el 50% i el 80% del diàmetre interior del tanc. L'amplada del rodets és generalment d'un sisè a un desè de la seva longitud. 5.4.3. Quantitat i Configuració dels Rodets La quantitat de rodets també és important. Per evitar fluxos circulatoris no desitjats, es recomana que tota la longitud calculada de l'eix estigui ocupada per diversos rodets o per un únic rodet amb les dimensions apropiades. 5.4.4. Tipologia de rodets 5.4.4.1. Paletes Les paletes o pales són components importants en els sistemes d'agitació que operen a velocitats de gir que oscil·len entre 50 i 150 rpm. Aquest tipus d'agitador és especialment útil en aplicacions que no requereixen una agitació intensiva. - Tipus i Funcionament de les Paletes Per a problemes senzills, un agitador eficaç pot estar format per una paleta plana que gira sobre un eix vertical. Aquest disseny permet la formació de corrents dins del líquid, que poden ser generats per la presència de dues o tres paletes col·locades al centre del tanc. Les paletes giren a velocitats baixes o moderades, impulsant el líquid tant radialment com tangencialment. És important notar que aquest tipus de paleta no Pàg. 96 Memòria A partir d’aquestes mesures, obtenim que els deflectors, començaran als 0,6 metres d’alçada i arribaran fins on el tanc comença a escurçaré amb una amplària de 6 cm 𝛿1. Per tal de mantenir una simetria dins del tanc i que es mescli de manera homogènia, s’escolleixen n de deflectors, essent n un número parell i distribuint-los de manera simètrica respecte l’eix de rotació del tanc. En aplicacions genèriques, habitualment es posicionen entre quatre i sis deflectors col·locats a 90° d’atac, minimitzant la probabilitat de formació de vòrtexs. Els deflectors trenquen els patrons de flux circular que podrien donar lloc a remolins i mescles no homogènies amb concentracions elevades dins dels remolins. Aquesta configuració de deflectors és un estàndard en la indústria per la seva eficàcia provada, oferint un bon equilibri entre els costos de construcció i l'eficiència del procés de mescla. Finalment, s’escolliran quatre deflectors amb un angle d’atac de 90° i forma prismàtica quadrangular. Per a l’agitador, s’escollirà un agitador tipus Rushton, que és dels més utilitzats en el món de l’agitació, oferint bones eficiències i règims de treball molt bons per a diferents velocitats i viscositats de fluids. Aquest agitador està format per un disc al qual s’uneixen les pales que provocaran l’agitació del fluid. El nombre de pales oscil·la generalment entre quatre i vuit. La velocitat de les pales depèn principalment de la viscositat cinemàtica de la mescla i la geometria de les pales, segons dimensions i angles. També cal tenir en compte la reacció que poden tenir els microorganismes, ja que a partir d'una certa velocitat poden patir estrès i lisis cel·lular, disminuint la colònia bacteriana i, conseqüentment, l'eficiència del procés. Aquests valors es prenen realitzant un estudi previ a petita escala de forma experimental, provant amb diverses velocitats i escollint geometries segons les característiques dels líquids. Com que no s’ha dut a terme un estudi experimental previ, s’escollirà un rang de velocitats generalitzat entre 60-150 rpm per a líquids poc densos, els quals han demostrat ser eficaços. En el cas del reactor estudiat, s’escollirà un valor intermedi de 100 rpm. Per al càlcul del parell que haurà de vèncer el rodet per tal de mantenir la velocitat, es poden fer servir dues fórmules segons el règim del líquid dins del reactor: 𝑇𝑅,𝑇= 𝑘1·𝜌·𝑁2·𝐷5 𝑇𝑅,𝐿= 𝑘2·𝜇·𝑁·𝐷3 𝑇𝑅,: Parell a vencer per a regim turbulent 𝑇𝑅,𝑇 i laminar 𝑇𝑅,𝐿 [N·m] 𝑘1,2: Coeficient de transferencia de massa [m/s] 𝜌: Densitat del líquid [kg/m3] 𝑁: Velocitat de gir [rad/s] D: Diàmetre del impulsor [m] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 97 𝜇: Viscositat dinàmica [N·s/m²] Per tal de dur a terme el càlcul, cal conèixer els coeficients de transferència de massa, els quals depenen de diversos paràmetres, com la velocitat i les geometries implicades. Aquests coeficients s’obtenen de manera experimental a escales reduïdes i després s’apliquen a escales reals. Com que no es disposa d’aquest coeficient exacte, es pot determinar el parell motor a partir del número de potencia 𝑁𝑝 també conegut com a número de Newton. Aquest és un paràmetre adimensional que s'utilitza en l'enginyeria de fluids, especialment en el disseny i l'anàlisi d'agitadors mecànics, per descriure la potencia necessària per mantenir un fluid en moviment. Aquest número de potencia es determina a partir de gràfiques experimentals que varien segons el número de Reynolds 𝑁𝑅𝑒. El número de Reynolds és també un paràmetre adimensional que s'utilitza en la mecànica de fluids per predir el tipus de flux que tindrà un fluid, és a dir, si serà laminar o turbulent. 𝑁𝑝=𝑃·𝑔 𝜌·𝑁3·𝐷5 𝑁𝑅𝑒=𝐷2·𝑁·𝜌 𝜇 P: Potencia consumida en moure el líquid [W] g: Gravetat [m/s2] Hi ha diverses taules obtingudes de múltiples estudis, les quals depenen principalment dels coeficients de forma en relació amb les dimensions del tanc i l’agitador. En aquest cas, s’ha escollit una taula modelada a partir dels coeficients de forma observats anteriorment per a un rodet de 6 pales. Hi ha una petita variació en el coeficient 𝑆6 respecte a l'altura de la línia del líquid en relació amb el diàmetre total. La variació és tan reduïda que prendrem els valors com si fossin iguals a 1. ℎ1 𝑑1=1=𝑆2 ; 𝑑2 𝑑1=0,33=𝑆1; ℎ 𝑑2=0,25=𝑆4 𝐿 𝑑2=0,25=𝑆3 𝛿1 𝑑1=0,1=𝑆5 𝐻𝑡 𝑑1=0,654𝑚 0,6m =1,09≃1= 𝑆6 On L equival a la longitud de les pales, les quals prenent el valor 𝑆3=0,25 com a referència equivaldran a 4,95·10-2 m i h essent l’alçada de les pales del rodet, prenent el valor de 𝑆4=0,25 i aïllant l’alçada, trobem que serà de 4,95·10-2 m. Per tant les pales seran quadrades. En aquest cas, caldria seguir la línia amb etiqueta A, que equivaldria a efectes pràctics al model especificat en l'estudi. Per tal d’obtenir el número de potencia i aïllar el parell Pàg. 98 Memòria motor, cal calcular el número de Reynolds, per a la qual cosa s'han de conèixer les variables densitat i viscositat, de les quals actualment no disposem de valors. A partir de l'estudi “Optimizing mixing efficiency of anaerobic digesters with high total solids concentrations using validated CFD simulations” [38], es prenen com a referència els valors de densitat i viscositat dinàmica segons el percentatge de sòlids totals a la mescla. Aquests valors es deriven d'estudis per al càlcul de la generació de biogàs. En el primer estudi de generació, amb un 4% de sòlids totals a la mescla, observant la taula de propietats, es poden obtenir uns valors aproximats. Si considerem una relació lineal amb pendent constant, podem interpolar de la següent manera: Taula 7: Resultats obtinguts a partir de l'estudi [38] 𝑦=𝑦1+(𝑥−𝑥1)·(𝑦2−𝑦1) 𝑥2−𝑥1 Figura 31: Gràfic experimental corbes de relació entre Nº Potencia i Nº Reynolds [37] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 99 Substituint les x per les variables que coneixem en aquest cas %TS i a les y’s les variables que volem trobar resulten els següents números: - Càlcul de la densitat 𝑥1=2,5 𝑥2=5,4 𝑥=4 𝑦1=1126,3 𝑘𝑔 𝑚3 𝑦2=1193,3 𝑘𝑔 𝑚3 Obtenim 𝑦=𝜌=1160,96 𝑘𝑔 𝑚3 - Càlcul de la viscositat dinàmica promig 𝑥1=2,5 𝑥2=5,4 𝑥=4 𝑦1=7·10−3𝑃𝑎·𝑠 𝑦2=2·10−2𝑃𝑎·𝑠 Obtenim 𝑦=𝜇=1,37·10−2𝑃𝑎·𝑠 Amb aquests valors, substituïm a la fórmula del número de Reynolds: 𝑁𝑅𝑒=𝐷2·𝑁·𝜌 𝜇=(0,3 𝑚)2·100𝑟𝑝𝑚·2𝜋𝑟𝑎𝑑 1𝑟𝑒𝑣 ·1𝑚𝑖𝑛 60𝑠·1160,96 𝑘𝑔 𝑚3 1,37·10−2𝑃𝑎·𝑠1𝑁·𝑠/𝑚 1𝑃𝑎·𝑠 =79867,08>4000 Per tant es tracta d’un flux turbulent, observant el gràfic es pot veure amb facilitat els règims del flux segons el Reynolds, on a partir del flux en transició 2000>𝑁𝑅𝑒>4000 les corbes mantenen el pendent nul quedant horitzontals, en canvi per a fluxos laminars, la corba adquireix un pendent negatiu molt pronunciat augmentant el número de Potencia de manera exponencial. A partir dels valors seguint la corba A, trobem que el número de Potencia es 6. Coneixent que la fórmula de la Potencia es pot definir com: 𝑇𝑅,𝑇=𝑃 𝑁 Substituint a la fórmula del número de Potencia i aïllant el parell: 𝑇𝑅,𝑇=𝑁𝑝·𝜌·𝑁2·𝐷5 𝑔 Pàg. 100 Memòria 6·1160,96 𝑘𝑔 𝑚3·(100𝑟𝑝𝑚·2𝜋𝑟𝑎𝑑 1𝑟𝑒𝑣 ·1𝑚𝑖𝑛 60𝑠)2·(1,98·10−1)5 9,81𝑚 𝑠2=23,68 𝑁𝑚 Aïllant la PPP de l’equació anterior, trobem que la potencia mínima necessària pel motor és de 249 W. Aplicant un coeficient de seguretat de 3, obtenim una potencia propera als 750 W. Caldria comprovar la velocitat nominal del motor que es vol instal·lar i, a partir d’aquesta, coneixent la potencia, dissenyar un petit sistema reductor per engranatges per tal de convertir la velocitat a l’extrem del rodet als 10,47 rad/s, mantenint el mínim parell motor calculat. 5.4.6. Estat actual de la ciència centrada en l’agitació de tancs Al treball “Impact of mixing intensity and duration on biogas production in an anaerobic digester” [39] es duu a terme un recull de diversos estudis sobre els tancs remoguts, on es comenta que l'elecció dels paràmetres òptims per al procés de barreja en digestors anaerobis és un repte significatiu. La complexitat deriva principalment del fet que el procés de barreja afecta directament l'eficiència global de la digestió anaeròbia, incloenthi la producció de biogàs i la qualitat del mateix. En aquest sentit, l'estratègia de barreja òptima encara no està clara, ja que els resultats varien significativament depenent de diversos factors, com la geometria del digestor, el tipus d'impulsor, les propietats reològiques del substrat i la velocitat de mescla. Cal destacar que l'estudi menciona que aproximadament el 44% de les fallades en plantes de biogàs són a causa d'un remogut inadequat. Per tant, encara que no es pugui estimar de manera precisa el guany en eficiència entre tancs remoguts i no remoguts, afegir un sistema de mesclatge amb intervals variables aporta robustesa al sistema, assegurant el funcionament adequat del digestor i permetent uns marges de funcionament més amplis que si no fos remogut, on petits canvis en paràmetres podrien causar fallades. Un dels principals punts destacats és que la barreja contínua i vigorosa no només pot resultar ineficaç, sinó que pot ser perjudicial per a la producció de biogàs. Aquesta pràctica pot augmentar el consum d'energia sense obtenir millores en el rendiment, i fins i tot podria reduir la producció de metà en certs casos. Al estudi “Effects of temperature and mixing modes on the performance of municipal solid waste anaerobic slurry digester” [40], es va comprovar que la diferència en producció de biogàs entre sistemes remoguts en intervals i sistemes no remoguts o remoguts de manera contínua es trobava entre el 30% i el 40%. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 101 Figura 32: Gràfic sobre la producció de biogas a l'estudi [40] segons els dies Es conclou que la barreja intermitent a intensitats baixes és més favorable i energèticament eficient, especialment durant les diferents fases del procés de digestió, com ara la hidròlisi i la metanogènesi. Per aquest motiu, el sistema de remogut estarà comandat per un sistema de control que permetrà variar els temps de funcionament i les intermitències segons les necessitats del digestor en cada etapa. Inicialment, es començarà treballant amb el motor de manera intermitent, basant-se en les condicions esmentades a l’estudi [41], referenciat a l'article principal [40]. Figura 33: Gràfic del contingut en metà proporcional a la producció de biogas per a diversos experiments [41] En el primer experiment per al reactor 1, que funcionava barrejant durant 2 hores i aturant-se una hora per cada cicle de mesclatge, es va trobar que produïa el mateix que Pàg. 102 Memòria un remogut contínuament sota les mateixes condicions, amb una desviació del 10%. La concentració de metà va disminuir del 61% al 60,3%, a canvi d’un estalvi energètic del 29%. Cal destacar les velocitats límits que poden suportar les mescles. Al gràfic del percentatge d'àcids grassos volàtils (VFA) segons diverses velocitats, s'observa un patró repetitiu: a elevades velocitats contínues, la producció de VFA augmenta. Aquest fenomen provoca que, a partir d'un cert límit, es poden presentar inestabilitats degudes a pics en l'acidesa de la mescla, cosa que fa que el pH baixi per sota dels nivells de treball, provocant així fallides en el procés. Figura 34: Gràfic de la concentració de VFA per a diversos experiments [41] 5.5. Transferència de calor en tancs Per tal de mantenir una producció estable de biogàs durant l'any, cal que els paràmetres del procés es mantinguin constants en la mesura del possible. Encara que la majoria de condicions, com la velocitat d'agitació, el volum total de mescla o petites variacions en el tipus de substrat, romanguin relativament constants, una de les condicions més importants és la temperatura, que fluctua segons l’època de l'any. Segons les dades obtingudes de l'article “Effects of Temperature and Mixing Modes on the Performance of Municipal Solid Waste Anaerobic Slurry Digester” [40], es va investigar la producció de biogàs en tancs remoguts sota condicions constants, variant únicament les temperatures de funcionament del tanc. Els resultats mostren que, amb temperatures mesofíliques de 25, 28, 31 i 34 graus Celsius, una temperatura més elevada va associada a una millor eficiència del reactor en termes de producció de biogàs i metà. També es va observar una disminució en la demanda química d'oxigen Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 103 (COD) i en la quantitat de sòlids volàtils (VS) a la mescla a mesura que augmentava la temperatura. Figura 35:Grafics amb els resultats en generació de biogas, metà i reducció en COD i VS segons temperatures de treball [40] Les conclusions de l'estudi determinen que l’optimització de les temperatures operatives en els digestors ha de considerar el balanç entre les demandes d'energia per escalfar el sistema i la producció de gas resultant. Segons els resultats obtinguts, la temperatura òptima sembla ser al voltant de 30 °C, tenint en compte la recuperació neta d'energia. A temperatures de 34 °C, aproximadament el 90% del metà produït es manté també a 31 °C, mentre que a 25 °C la producció de metà es redueix al 70% en comparació amb la producció a 34 °C. La temperatura influeix significativament en la concentració d’amoníac lliure, que és un inhibidor clau. La concentració d’amoníac lliure augmenta amb l’augment de la temperatura a causa de l’efecte sobre l’equilibri químic. És cert que, amb un control precís sobre el pH de la mescla per corregir aquestes concentracions, es podrien obtenir millores en eficiència amb temperatures superiors. No obstant això, per simplificar el sistema i com a temperatura vàlida general, es prendran els 31 graus, la mateixa temperatura a la qual es van dur a terme els experiments inicials d’on es va obtenir la producció de gas. Pàg. 104 Memòria 5.5.1. Elements calefactors Per tal de mantenir el tanc a les temperatures desitjades, caldrà implementar un sistema de calefacció. Hi ha diverses opcions per aportar aquesta calor: - Resistències Elèctriques Les resistències elèctriques són un mètode comú per escalfar bioreactors. Aquest sistema utilitza elements calefactors elèctrics, com bandes calefactores o cables de resistència, que es col·loquen al voltant del bioreactor o a l'interior de la seva camisa. Una de les principals avantatges d'aquest mètode és el control precís de la temperatura que permet, així com l'ajustament fàcil segons les necessitats del procés. No obstant això, pot presentar desavantatges, com la generació de calor desigual si la resistència no es distribueix de manera uniforme. [42] - Camisa de Calefacció (jaqueta Tèrmica) La camisa de calefacció, també coneguda com a jaqueta tèrmica, és un mètode indirecte que implica l'ús d'una camisa o jaqueta al voltant del bioreactor per on circula un fluid calefactor, com aigua o oli. Aquest sistema permet una distribució uniforme de la calor al reactor, el que és especialment útil per a bioreactors de gran mida. Tanmateix, requereix la instal·lació de sistemes de bombeig i control per mantenir la temperatura desitjada, la qual cosa pot incrementar la complexitat i el cost del sistema. - Cinta de Calefacció La cinta de calefacció és un mètode flexible que consisteix a envoltar el bioreactor amb una cinta calefactora. Aquest sistema ofereix una bona adaptabilitat a diferents formes i grandàries de reactors, facilitant la instal·lació en reactors amb dissenys irregulars o especials. No obstant això, pot ser difícil aconseguir una distribució uniforme de la calor, i és necessari controlar bé el sistema per evitar punts de calor excessius. - Intercanviadors de Calor Els intercanviadors de calor externs s'utilitzen per escalfar el fluid que circula dins del bioreactor. Aquest mètode és altament eficient en la transferència de calor i adequat per a bioreactors de gran volum, permetent un control precís de la temperatura. No obstant Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 105 això, la seva instal·lació pot ser complexa i requerir un manteniment regular per assegurar el bon funcionament del sistema. - Calefacció amb Calor Residual La calefacció amb calor residual aprofita la calor generada per altres processos dins de la planta. Aquest enfocament ajuda a reduir els costos d'energia i aprofita recursos ja disponibles. No obstant això, depèn de la disponibilitat de calor residual i pot implicar una complexitat addicional en la integració del sistema amb els processos existents. - Calefacció per Radiació La calefacció per radiació utilitza emissores de calor infraroig per escalfar directament el bioreactor. Aquest mètode permet una calefacció ràpida i eficient, ja que el calor es transfereix directament a l'objectiu. Tanmateix, és menys comú i pot ser difícil controlar de manera uniforme, especialment en reactors grans. 5.5.2. Mètode de calefacció escollit Encara que el sistema més utilitzat a nivell global és la camisa de calefacció, aquest requereix un sistema addicional per al seu funcionament. Per tal de simplificar la instal·lació, s’ha escollit la resistència tèrmica. Els altres mètodes s’han descartat degut a les seves aplicacions, ja que la majoria són de caràcter industrial. En canvi, la cinta de calefacció podria ser una opció a considerar, però en instal·lar-les fora del reactor, les pèrdues serien més grans i necessitaríem més potencia elèctrica per fer-ho funcionar. Per tal d’escollir la posició d’aquesta resistència, observant la imatge amb els patrons i vòrtex creats pel rodet, comprovem que a la part inferior hi ha molt moviment del líquid. Per tant, si es col·loca allí, es garantirà la millor transferència de calor a tot el líquid. . Pàg. 112 Memòria 𝑞𝑖𝑛=𝑞𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑖𝑐𝑚−𝑇𝑒𝑐𝑚 𝑙𝑛(𝑟𝑒/𝑟𝑖) 2·𝜋·𝜆·𝐿𝑙𝑖𝑞 =ℎ𝑎𝑖𝑟·(𝑇𝑒𝑐𝑚−𝑇∞) - Cilindre sec Sumatori de calors a la superfície interna: 𝑞𝑖𝑛=𝑞𝑜𝑢𝑡 ℎ𝑎𝑖𝑟·𝐴𝐶𝑠·(𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑖−𝑇𝑖𝑐𝑠)=𝑇𝑖𝑐𝑠−𝑇𝑒𝑐𝑠 𝑙𝑛(𝑟𝑒/𝑟𝑖) 2·𝜋·𝜆·𝐿𝑠𝑒𝑐 Sumatori de calors a la superfície externa: 𝑞𝑖𝑛=𝑞𝑜𝑢𝑡 𝑇𝑖𝑐𝑠−𝑇𝑒𝑐𝑠 𝑙𝑛(𝑟𝑒/𝑟𝑖) 2·𝜋·𝜆·𝐿𝑠𝑒𝑐 =ℎ𝑎𝑖𝑟·𝐴𝐶𝑠·(𝑇𝑒𝑐𝑠−𝑇∞) - Valors 𝑇𝑙𝑖𝑞=𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑖=304,15 𝐾 ℎ𝑎𝑖𝑟=32,25 𝑊 𝑚2·𝑘 ℎ𝑙𝑖𝑞=857,74 𝑊 𝑚2·𝑘 𝐿𝑠𝑒𝑐=0,246𝑚 𝐿𝑙𝑖𝑞=0,654𝑚 𝐴𝑇=𝜋·𝑟𝑖2=𝜋·(0,3𝑚)2=2,83·10−1𝑚2 𝐴𝐶𝑚=2·𝜋·𝑟𝑖·𝐿𝑙𝑖𝑞=2 · 𝜋· 0,3𝑚 · 0,654 𝑚=1,23 𝑚2 𝐴𝐶𝑠=2·𝜋·𝑟𝑖·𝐿𝑠𝑒𝑐=2 · 𝜋· 0,3𝑚 · (0,9 − 0,654) 𝑚=4,64·10−1 𝑚2 - Variables 𝑇𝑖𝑠: Temperatura paret interna tapa superior [K] 𝑇𝑒𝑠: Temperatura paret externa tapa superior [K] 𝑇𝑖𝑖: Temperatura paret interna tapa inferior [K] 𝑇𝑒𝑖: Temperatura paret externa tapa inferior [K] 𝑇𝑖𝑐𝑚: Temperatura paret interna cilindre moll [K] 𝑇𝑖𝑐𝑠: Temperatura paret interna cilindre sec [K] 𝑇𝑒𝑐𝑚: Temperatura paret externa cilindre moll [K] Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 113 𝑇𝑒𝑐𝑠: Temperatura paret externa cilindre sec [K] Un cop trobades totes les equacions, es poden agrupar separant-les per les 4 parts d’estudi, per tal de trobar l’equació que retorna les pèrdues de calor, a partir de les temperatures del líquid intern, l’aire al exterior les constants trobades i el radi de les parets. Per als dos cilindres humit 𝑄𝑐ℎ i sec 𝑄𝑐𝑠 queden respectivament, de la següent manera: 𝑄𝑐ℎ=(𝑇𝑙𝑖𝑞−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐿𝑙𝑖𝑞 1 ℎ𝑙𝑖𝑞·2·𝜋·𝑟𝑖+ln (𝑟𝑒 𝑟𝑖) 2·𝜋·𝜆+1 ℎ𝑎𝑖𝑟·2·𝜋·𝑟𝑒 𝑄𝑐𝑠=(𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑖−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐿𝑠𝑒𝑐 1 ℎ𝑎𝑖𝑟·2·𝜋·𝑟𝑖+ln (𝑟𝑒 𝑟𝑖) 2·𝜋·𝜆+1 ℎ𝑎𝑖𝑟·2·𝜋·𝑟𝑒 Per al ambdues tapes, inferior/humida 𝑄𝑡ℎ i superior/seca 𝑄𝑡𝑠, queden les següents equacions respectivament: 𝑄𝑡ℎ=(𝑇𝑙𝑖𝑞−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐴𝑇 1 ℎ𝑙𝑖𝑞+𝑟𝑒−𝑟𝑖 𝜆+1 ℎ𝑎𝑖𝑟 𝑄𝑡𝑠=(𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑖−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐴𝑇 1 ℎ𝑎𝑖𝑟+𝑟𝑒−𝑟𝑖 𝜆+1 ℎ𝑎𝑖𝑟 Prenent com a referència un radi intern de 𝑟𝑖=0,3𝑚, i gruix del tanc 10 cops el coeficient de seguretat del calculat per al tanc de gas, 𝑟𝑒 resulta en 3,01·10-1 m. El coeficient de 10 es tan elevat, per tal d’assegurar la integritat estructural del digestor i arrodonir el gruix a un centímetre Per al coeficient conductiu del PP reforçat, es prendrà com a referència 0,22 𝑊 𝑚·𝐾. Substituint els valors, trobem les pèrdues de calor per al sistema per als diversos elements: Pàg. 114 Memòria 𝑄𝑐ℎ=(304,15𝐾−273,15𝐾)·0,654 𝑚 1 857,74 𝑊 𝑚2·𝑘· 2 · 𝜋· 0,3 m +ln (0,301 0,3 ) 2·𝜋·0,22 𝑊 𝑚·𝐾 +1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘 · 2 · 𝜋 · 0,301 𝑄𝑐ℎ=(304,15𝐾−273,15𝐾)·0,246 𝑚 1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘· 2 · 𝜋· 0,3 m +ln (0,301 0,3 ) 2·𝜋·0,22 𝑊 𝑚·𝐾 +1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘 · 2 · 𝜋 · 0,301 𝑄𝑡ℎ=(304,15𝐾−273,15𝐾)·2,83·10−1𝑚2 1 857,74 𝑊 𝑚2·𝑘+0,301m−0,3m 0,22 𝑊 𝑚·𝐾 +1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘 𝑄𝑡𝑠=(304,15𝐾−273,15𝐾)·2,83·10−1𝑚2 1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘+0,301m−0,3m 0,22 𝑊 𝑚·𝐾 +1 32,25 𝑊 𝑚2·𝑘 𝑄𝑐ℎ=1043,9 𝑊 𝑄𝑐ℎ=216,32𝑊 𝑄𝑡ℎ=240,08𝑊 𝑄𝑡𝑠=132,44W 𝑄𝑇=𝑄𝑐ℎ+𝑄𝑐ℎ+ 𝑄𝑡ℎ+ 𝑄𝑡𝑠 𝑄𝑇= 1043,9 𝑊 + 216,32𝑊 + 240,08𝑊+ 132,44W=1632,74 W Com es pot comprovar, les pèrdues de calor en estat estacionari per al cas més desfavorable són de 1632,74 W, les quals es provaran de reduir mitjançant l’aplicació d’un aïllant tipus flexible al voltant del reactor. Realitzant un petit estudi de mercat, el material més utilitzat, degut al seu cost i característiques de treball, és la llana de roca. Aquest material presenta una conducció tèrmica mitjana de 𝜆𝑙𝑙=0,033 𝑊 𝑚·𝐾 essent quasi 10 cops menys conductiva que el coeficient de conducció del Polipropilé 0,22 𝑊 𝑚·𝐾. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 115 Considerant que no hi ha una resistència tèrmica causada per la unió entre la superfície externa en PPR i l’aïllament, afegint la transmissió per calor en conducció a traves del aïllant a l’equació en funció del gruix 𝑟𝑎, queden les següents equacions: 𝑄𝑡ℎ=(𝑇𝑙𝑖𝑞−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐴𝑇 1 ℎ𝑙𝑖𝑞+𝑟𝑒−𝑟𝑖 𝜆𝑝𝑝𝑟 +1 ℎ𝑎𝑖𝑟+𝑟𝑒−𝑟𝑎 𝜆𝑙𝑙 𝑄𝑡𝑠=(𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑖−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐴𝑇 1 ℎ𝑎𝑖𝑟+𝑟𝑒−𝑟𝑖 𝜆𝑝𝑝𝑟 +1 ℎ𝑎𝑖𝑟+𝑟𝑒−𝑟𝑎 𝜆𝑙𝑙 𝑄𝑐ℎ=(𝑇𝑙𝑖𝑞−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐿𝑙𝑖𝑞·2·𝜋 1 ℎ𝑙𝑖𝑞·𝑟𝑖+ln (𝑟𝑒 𝑟𝑖) 𝜆𝑝𝑝𝑟 +1 ℎ𝑎𝑖𝑟·𝑟𝑒+ln (𝑟𝑒+𝑟𝑎 𝑟𝑒) 𝜆𝑙𝑙 Figura 39:Dibuix esquemàtic de les pèrdues tèrmiques per convecció amb aïllament, elaboració pròpia Pàg. 116 Memòria 𝑄𝑐𝑠=(𝑇𝑙𝑖𝑞−𝑇𝑎𝑖𝑟)·𝐿𝑠𝑒𝑐·2·𝜋 1 ℎ𝑎𝑖𝑟·𝑟𝑖+ln (𝑟𝑒 𝑟𝑖) 𝜆𝑝𝑝𝑟 +1 ℎ𝑎𝑖𝑟·𝑟𝑒+ln (𝑟𝑒+𝑟𝑎 𝑟𝑒) 𝜆𝑙𝑙 Fent el sumatori de les pèrdues en funció de 𝑟𝑎, resulta en el següent gràfic: 𝑄𝑇(𝑟𝑎)=𝑄𝑐ℎ(𝑟𝑎)+𝑄𝑐𝑠(𝑟𝑎)+ 𝑄𝑡ℎ(𝑟𝑎)+ 𝑄𝑡𝑠(𝑟𝑎) Figura 40: Gràfic de les pèrdues en calor totals i en tancaments humits segons gruix de l'aillant, graficat amb Matlab Analitzant els resultats, es comprova que la corba adopta una forma exponencial inversa, on, per a gruixos infinits, la corba tendeix als 350 W totals perduts. La gràfica comença a apropar-se a la pèrdua de calor situada a l'asímptota dels 350 W per a gruixos d'aïllant de 15 mm. Per aquest motiu, s’escull un gruix d’1 cm, ja que són mides estandarditzades. Encara que les pèrdues són superiors als 350 W, la corba del gràfic perd completament el pendent, la qual cosa fa que no tingui sentit escollir gruixos superiors, ja que la proximitat de la corba a l’asímptota redueix molt poc les pèrdues de calor, malgrat que s’augmenti el gruix. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 117 Per tant, podem concloure que les pèrdues màximes en el cas més desfavorable seran concretament de 416 W per a un gruix d'aïllant de 10 mm. Per tant, caldrà instal·lar una manta tèrmica que, proporcionant la calor necessària, pugui oferir 450 W en potencia calorífica per tal de contrarestar les pèrdues de 416 W i mantenir el sistema en estat estacionari, escalfant la matèria a la temperatura ambient que s’hi afegeix. No es prendrà un coeficient de seguretat, ja que les condicions utilitzades per a l’estudi representen un cas desfavorable que a la pràctica no es donaria o es donaria en cas de temperatures excepcionalment baixes, molt poc probables per a la ciutat de Barcelona. 5.6. Sistema de control Per tal d’establir un sistema de control bàsic i assegurar el correcte funcionament, es durà a terme una instal·lació per mesurar el pH de la solució, el nivell de l’aigua i, per tant, el volum total de treball, així com un control òptim de la temperatura. Per dur a terme aquesta instal·lació, serà necessari comptar amb l’element de control, els elements d’input i output, tot harmònicament conexionat entre si. El sistema estarà compost per diversos sensors i dispositius connectats a un microcontrolador, que llegeix, processa les dades i comanda els dispositius associats: - Sensor de pH Utilitzat per mesurar el pH del medi de cultiu dins del bioreactor. Aquest sensor proporciona una lectura analògica que el microcontrolador converteix en un valor de pH comprensible. - Sensor de Temperatura Un sensor digital mesura la temperatura del medi de cultiu. Aquest sensor està connectat al sistema mitjançant una línia de dades compartida, la qual cosa permet una lectura precisa de la temperatura. Un cop les dades són llegides pel controlador, aquest les analitza i, segons els valors obtinguts, procedeix a enviar un senyal PWM (Pulse Width Modulation). Aquest senyal és de tipus quadrat, amb una ondulació que oscil·la entre 0 i 5 V, i que, depenent de l’amplada de l'ona quadrada, simula efectivament un voltatge variable dins d'aquest rang. Aquest senyal és llegit per un tipus de transistor anomenat MOSFET a la seva entrada 'Gate', funcionant com un interruptor que transfereix els senyals de control de l'Arduino, de 5 V màxim i 40 mA, escalant les ones a la tensió i intensitat necessàries per obrir i tancar el circuit que controla l'element calefactor, de manera que es pugui subministrar la tensió i intensitat de funcionament correctes. Pàg. 118 Memòria - Element Calefactor Un dispositiu utilitzat per mantenir la temperatura desitjada dins del bioreactor. El calefactor és controlat per l'Arduino a través d’un MOSFET, que simula un voltatge variable per tal d’obtenir diferents potències calorífiques de l’element segons calgui. - Sensor d'Ultrasons Aquest sensor mesura el nivell del líquid dins del bioreactor mitjançant l’eco d’ones sonores que emet i calculant el temps que aquestes triguen a tornar un cop reboten en un material. El controlador utilitza aquesta informació per determinar la distància entre el sensor i la superfície del líquid, oferint així una lectura del nivell del líquid. Al disposar d’un tanc de secció constant, es pot convertir en el volum total del que disposa el tanc en tot moment, facilitant el control del material d’entrada, sortida i emmagatzemat al sistema. - Motor accionador de l'element mesclador El motor elèctric serà l'encarregat de mesclar la solució. De manera similar a l'element calefactor, disposarà d'una font d'alimentació diferent de la sortida de control de l'Arduino. El circuit s'obrirà i es tancarà mitjançant un relé. No obstant això, a diferència de l'element calefactor, aquest motor funcionarà sempre a un voltatge constant i no per PWM. Per escollir la velocitat de treball, s'utilitzarà un mecanisme d'engranatges reductors per establir la velocitat òptima de la mescla. Al sistema d'alimentació del motor es pot afegir un petit sensor per enviar informació al controlador sobre el consum del motor i així establir uns límits màxims i mínims de consum. Això permetrà controlar la viscositat de la mescla. Si el motor consumeix més energia de l'habitual, indicaria que la mescla comença a ser densa i caldria afegir-hi aigua per diluir-la. En canvi, si el motor no consumeix molta energia, podria indicar la falta de matèria orgànica al digestor i un excés de percentatge d'aigua a l'interior. - Pantalla LCD Una pantalla connectada al controlador encarregada de mostrar en temps real diversos valors, oferint a l’usuari una interfície visual del sistema. Els paràmetres que es mostraran seran: Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 119 - pH - Temperatura - Volum total de mescla - Nivell de l’aigua - Estimació percentual de la viscositat del sistema També disposarà de tres botons per accedir a un menú per poder controlar manualment la temperatura o l'accionament del motor en casos de manteniment. Un botó servirà per a l’accionament o “okay” i els altres dos per pujar o baixar paràmetres i moure’s pel menú. 5.7. Emmagatzematge del gas Per tal de poder emmagatzemar el gas i obtenir-ne disponibilitat en tot moment, es planteja un sistema annex al tanc amb un volum considerable per tal de poder emmagatzemar la major quantitat d’aquest gas de forma segura. Per realitzar aquest sistema, es connectarà per la part superior del tanc una manguera que conduirà el gas cap a un tanc d'emmagatzematge. Els tancs de gas es poden separar essencialment en dos tipus. 5.7.1. Tipologia de tancs 5.7.1.1. Tancs Rígids Aquests dipòsits tenen formes geomètriques arrodonides per tal de distribuir les tensions de manera uniforme sobre la superfície, mantenint sempre la mateixa forma i ocupant el mateix volum. Estan construïts amb metalls i plàstics resistents i són capaços de suportar des de pressions moderades fins a elevades. Són molt duradors i ofereixen una gran capacitat d'emmagatzematge. Tot i que tenen una vida útil elevada, requereixen d'una estructura i elements auxiliars que encareixen el sistema. A més, el volum és menys adaptable als canvis en la producció de gas i no ofereixen un indicador visual clar del contingut total de gas. Pàg. 120 Memòria 5.7.1.2. Dipòsits Flexibles Coneguts com a bosses de gas, són contenidors adaptables dissenyats per acomodarse al volum variable de gas emmagatzemat. No mantenen una forma fixa; en lloc d'això, s'expandeixen i es contrauen segons la quantitat de gas que contenen. Estan fabricats amb materials com el cautxú o plàstics resistents, que els permeten adaptar-se als canvis en el volum. La seva construcció senzilla i l’absència d’estructures complexes redueixen els costos globals. La seva capacitat d’adaptar-se a variacions en la producció de gas els fa ideals per a sistemes amb fluctuacions en la generació de gas. Tot i que els dipòsits flexibles tenen una vida útil menor en comparació amb els rígids i poden requerir un manteniment addicional per prevenir possibles fugides o desgasts, serveixen com a indicador visual clar del volum de gas emmagatzemat mitjançant l’observació de la seva expansió o contracció. No poden suportar gaires pressions, ja que l’habilitat per esdevenir flexibles prové de la manca de material a les parets, repercutint negativament en la pressió total que poden suportar. 5.7.2. Tanc escollit Per al cas d'estudi escollit, es decideix utilitzar un tanc flexible pels següents motius: - Costos Inferiors Els dipòsits flexibles presenten un cost global més baix, tant en termes de materials com d’instal·lació. La construcció utilitza materials com cautxú o plàstics especialitzats, que són econòmics en comparació amb els metalls utilitzats en dipòsits rígids. - Adaptabilitat al Volum de Gas La capacitat d'expansió i contracció dels dipòsits flexibles els permet ajustar-se a les variacions en la producció de gas. Aquesta característica és crucial en experiments on els volums de gas poden fluctuar significativament, permetent una gestió dinàmica i eficient del gas emmagatzemat. Aquesta adaptabilitat permet un disseny que ocupa menys espai i s’integra millor, mentre que ofereix un control de la producció molt visual i senzill. - Adequació a Espais Reduïts Els dipòsits flexibles s’adapten eficaçment a espais compactes. La seva capacitat de Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 121 conformar-se a l’espai disponible permet una utilització òptima de l’espai reduït sense comprometre l’eficàcia de l’emmagatzematge. 5.7.2.1. Càlcul volumètric del tanc i pressions de treball màximes Per tal de determinar el volum necessari per emmagatzemar tot el gas, caldrà conèixer la quantitat de gas produïda, la temperatura a la qual es trobarà i la pressió màxima a la qual es desitja emmagatzemar aquest gas. Quant a la quantitat total de gas, es considerarà emmagatzemar una setmana de producció en condicions de màxima producció pràctica, amb un volum total de 772 L en el tanc si no es consumeix gas durant la setmana i amb una producció òptima per part del bioreactor. Amb una densitat mitjana de 1,133 kg/m³ per al biogàs, i sabent que els 772 L estan a una pressió d’una atmosfera a una temperatura de funcionament del reactor de 32 graus Celsius, podem utilitzar la llei dels gasos ideals per calcular el volum necessari. 𝑃·𝑉=𝑛·𝑅·𝑇 On: P: Pressió [Pa] del gas V: Volum [m3 ] del gas n: Número de mols de gas R: Constant Universal dels gasos ideals, per a les unitats utilitzades equival a 8,314472[𝑃𝑎·𝑚3 𝑚𝑜𝑙·𝐾] T: Temperatura [K ] del gas A partir d’aquesta equació, passant el Volum la temperatura i la pressió a les unitats desitjades es poden calcular els mols de biogàs obtinguts: 𝑛=𝑃·𝑉 𝑅·𝑇 = 1𝑎𝑡𝑚·101325 𝑃𝑎 1 𝑎𝑡𝑚 ·772𝐿· 1𝑚3 1000𝐿 8,314472·𝑃𝑎·𝑚3 𝑚𝑜𝑙·𝐾·(273,15+32℃)𝐾= 30,83 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 Pàg. 128 Memòria Longitud dels Baffles 60 mm Parell motor necessari per a la mescla 23,68 Nm Velocitat angular de l'agitador 100 rpm Potencia mínima necessària 249 W Potencia del motor prevista 750 W Funcionament del motor Intervals de 2 h per cada h de descans - 6.1.4. Transferència de calor Taula 12: Resultats transferència de calor Paràmetre Valor Temperatura de funcionament 31 ºC Tipologia d'element calefactable Element resistiu tèrmic tipus manta Ubicació de l'element calefactor Interior del digestor Pèrdues de calor calculades en condicions desfavorables 416 W Material aïllant tèrmic escollit Llana de roca Gruix necessari d'aïllant 10 mm Potencia calorífica de l'element calefactor 450 W Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 129 6.1.5. Sistema de control Taula 13: Resultats sistema de control Paràmetre Valor Tecnologia de control del tanc Sistema de control comandat per microcontrolador programable Paràmetres de control - Agitació del tanc - pH - Volum de treball - Densitat relativa 6.1.6. Emmagatzematge del gas Taula 14: Resultats emmagatzematge de gas Paràmetre Valor Volum màxim de gas emmagatzemat 772 L Volum del tanc de gas 2,63 m³ Tipologia del tanc de gas Flexible cilíndric Material del tanc de gas PPR Gruix de la paret del tanc 1 mm 6.2. Posada en marxa del sistema La posada en marxa del digestor és un dels processos de vital importància. Inicialment, al reactor no hi haurà microorganismes que descomposin la matèria, i és per això que el reactor ha de passar per un període d'acondicionament. Per tal de disposar del Pàg. 130 Memòria nombre de microorganismes necessaris per començar a digerir els 37,5 kg establerts, caldrà col·locar, en un inici, un inòcul diluït en aigua. Un inòcul és un material orgànic molt ric en microorganismes de tipus anaeròbic, que serveix de medi per instaurar una població inicial de la tipologia de microorganismes necessària per fer funcionar el reactor. Un cop afegit l'inòcul, caldrà esperar un període de temps preventiu, durant el qual, de mica en mica, s’hi anirà abocant cada cop més matèria orgànica, seguint el ritme de creixement dels microorganismes fins a arribar a poder digerir la quantitat contemplada. Partint de l’estudi en què es basa la producció de biogàs [33], per tal de realitzar la posada en marxa, s’utilitza femta bovina diluïda en aigua, juntament amb un caldo de cultiu equivalent al 10% del volum de treball del digestor, provinent d’un altre digestor en funcionament. La quantitat inicial de femta de vaca utilitzada en l’article de referència es dóna en percentatges, amb una dilució de 4 parts de femta per 5 d’aigua, que s’aboca al digestor. Com que no es fa referència a les quantitats exactes i, per al volum del qual es disposa, seria excessiu utilitzar aquesta proporció, es prendran 5 kg de femta, que es diluiran amb els 18,5 L de caldo de cultiu. El fet d'utilitzar una quantitat menor de femta podria repercutir en el temps d'establiment dels microorganismes, però és molt complicat calcular el creixement cinètic microbià sota unes condicions específiques de manera matemàtica. Per tant, es prendran com a referència els temps d’establiment de l’estudi, que van ascendir a les 4-6 setmanes. 6.3. Possibles problemàtiques i solucions 6.3.1. Problemes d’olors en la crema del biogàs Una de les problemàtiques comunes associades als digestors anaerobis és la generació d'olors desagradables, especialment quan es crema el biogàs. Aquest gas, produït durant la digestió de matèria orgànica, conté sulfhídric i altres compostos sulfurats que poden emetre una olor intensa i molesta quan s'alliberen a l'atmosfera. Per mitigar aquest problema, s'utilitzen filtres de carbó actiu pels quals passa el biogàs abans de sortir del sistema. El carbó actiu és un material altament porós amb la capacitat d'absorbir i eliminar compostos contaminants, incloent-hi el sulfhídric i altres substàncies que generen mal olor. Aquest sistema de filtració permet una combustió del biogàs més neta i redueix significativament les emissions d'olors desagradables. El filtre no té una vida útil molt llarga, per la qual cosa cal canviar-lo periòdicament, quan perd la seva capacitat d'absorbir compostos nocius i el gas cremat torna a fer olor. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 131 6.3.2. Límits de pressió del digestor Quan la pressió augmenta per sobre del límit de seguretat al tanc encarregat d'emmagatzemar el gas, es poden produir fugues, danys estructurals o, fins i tot, explosions en casos extrems. Això sol ser causat per una producció excessiva de biogàs, juntament amb la manca de regulació. És crucial mantenir la pressió dins dels nivells adequats per garantir la seguretat del sistema. La instal·lació d'una vàlvula de sobrepressió, o "blow-off valve", és una mesura essencial per evitar aquests perills. Aquesta vàlvula permet alliberar l'excés de gas de manera controlada quan la pressió interna supera un llindar predeterminat, evitant així danys al tanc causats per sobrepressions. 6.3.3. Control del pH El control del pH és fonamental en un digestor anaeròbic, ja que el funcionament òptim dels microorganismes depèn d’un pH equilibrat. Per tal d’ajustar aquests nivells, es poden fer servir diverses restes d’aliments. Per elevar el pH, s’hi poden afegir closques d’ou, ja que són rics en carbonat de calci, un compost bàsic que neutralitza l’acidesa. Aquest material ajuda a incrementar el pH de manera gradual i segura. Si, per contra, es necessita reduir el pH, es poden utilitzar materials orgànics rics en àcids, com ara restes de fruites cítriques o de tomàquets, que contribueixen a acidificar el medi. Pàg. 132 Memòria 6.4. Disseny del reactor Partint com a base dels amidaments resultants del projecte, es realitza el següent model tridimensional en SolidWorks. Per a més informació sobre el model consultar capítol “14.6 Plànols del disseny en SolidWorks del biodiesgtor” de l’annex. Figura 43: Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW, elaboració pròpia Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 133 Figura 44:Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW amb transparències i seccionat, elaboració pròpia Pàg. 134 Memòria Figura 45:Model 3D del biodigestor dissenyat amb SW amb transparències, elaboració pròpia Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 135 7. Planificació Amb l’objectiu de planificar l’execució de les tasques del projecte, es va elaborar i seguir un diagrama de Gantt que, inicialment, contemplava un període de treball des del 2 de febrer fins al 25 de juny de 2024. No obstant això, a causa de diversos imprevistos sorgits durant el desenvolupament del projecte mentre es cursava el quadrimestre de primavera, va ser necessari sol·licitar una pròrroga per assegurar la correcta execució de totes les fases. En conseqüència el diagrama de Gantt es va haver d’ampliar fins al 12 de setembre de 2024, data en què es va finalitzar definitivament el projecte. Al diagrama, les tasques es troben organitzades en files, cadascuna corresponent als diferents apartats del treball, mentre que les columnes estan dividides en setmanes, mostrant l'evolució de cada activitat al llarg dels mesos en què s'ha desenvolupat el projecte. Es pot observar com les activitats més extenses han tingut una durada de diverses setmanes. Entre les tasques més destacables, sobresurten les recopilacions d’estudis sobre la generació de biogàs i l’agitació en reactors, així com el disseny en 3D del reactor. La durada dels estudis es justifica pel fet que implicaven la cerca, lectura i síntesi de la informació de diversos articles científics, centrant-se especialment en aquells més rellevants per al treball realitzat, amb l’objectiu d’obtenir dades que s’ajustessin a les condicions dissenyades. D’altra banda, el disseny en 3D ha estat un procés prolongat en el temps, però ha estat compaginat amb altres tasques. S'hi han dedicat petits períodes de temps, sovint com a descans durant la realització d'altres activitats o en moments morts, optimitzant així el temps de treball. Pàg. 136 Memòria Taula 15: Diagrama de de Gantt Activitat Febrer Març Abril Maig Juny Juliol Agost Setembre Reunió i plantejament del projecte Establiment dels objectius Estructuració del pla a seguir Investigació estat energies renovables Fonaments de la biomassa Productes biomassa Tipologia de bioreactors Fonaments en microorganismes Decisió de la tipologia de bioreactor Investigació sobre amidaments del bioreactor Recopilació d'estudis en generació de biogàs Estudi de metodologia en estimació de producció de biogàs Fonaments en agitació i mescla en digestors Recopilació d'estudis en agitació de reactors Tipus d'agents mescladors Fonaments teòrics en transferència de calor Estudi tèrmic aplicat al cas Disseny i càlcul del tanc de gas Disseny final del digestor Estudi econòmic Estudi ambiental Estudi social i igualtat Conclusions Redacció i bibliografia Revisió general del projecte Enetrega de la memòria Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 137 8. Estudi econòmic A continuació es detalla el pressupost realitzat en l'apartat d’estudi econòmic referent al material del digestor, les hores treballades al projecte i les eines o llicències de les quals s’ha fet ús. El criteri per escollir el material ha estat propi i basat principalment en les especificacions esmentades en el treball i en els preus. Els preus desglossats en els tres apartats diferents són els següents: - Digestor anaeròbic: 744,30 € - Cost del personal mínim: 2.400 € - Llicències: 150,80 € Codi U Resum CanObj Obj ImpObj DA Digestor Anaerobic 1 744,30 744,30 DAES u Estructura digestor 1,00 140,90 140,90 Conjunt d'elements estructurals que componen el digestor, garantint la seva integritat i funcionalitat. DAESC u Cilindre del reactor en PP 1,00 0,00 0,00 Reactor principal en polipropilè (PP), material resistent a la corrosió i a les condicions internes de digestió anaeròbica. DAESCM Kg Material del cilindre conformat en Polipropilè Reforçat 30,000 10,00 300,00 1,00 0,00 0,00 DAEST u Tapa del reactor en PP 1,00 40,00 40,00 Coberta superior del digestor fabricada en polipropilè, assegurant un segellat eficient del sistema. DAESTM kg Material de la tapa conformat en Polipropilè Reforçat 4,000 10,00 40,00 1,00 40,00 40,00 DAESE u Elements d'Unió 1,00 15,90 15,90 Conjunt d'elements per a l'assemblatge de les parts del digestor, assegurant una unió robusta i estanca. DAESEJ u Junta de goma para la tapa EPDM 1,000 3,00 3,00 unta de goma EPDM que garanteix el segellat hermètic entre la tapa i el cilindre del reactor. DAESET u Cargols d’unió en llautó 6,000 0,90 5,40 Cargols fabricats en llautó per a la unió segura dels components estructurals. DAESEA u Adhesiu líquid de plàstics 300ml 1,000 7,50 7,50 Adhesiu especial per a materials plàstics, utilitzat per a la unió de les diferents peces de PP del digestor. Pàg. 144 Memòria 10. Estudi social i d’igualtat de gènere L'objectiu d'aquest estudi és avaluar l'impacte social i d'igualtat de gènere del projecte, destinat a convertir les restes vegetals d’un hort comunitari a Barcelona. El projecte te com a base promoure la sostenibilitat ambiental i l'ús eficient dels recursos orgànics, però és fonamental examinar com pot influir en diferents grups socials i la possible contribució en desigualtats de gènere. El bioreactor pot ser especialment beneficiós per a col·lectius vulnerables, proporcionant-los una eina per gestionar residus i accedir a una font d'energia renovable. El gas generat es podrà utilitzar per cuinar aliments, millorant l'accés a menjar preparat per a persones amb menys recursos. Les dones solen estar infrarepresentades en els àmbits tecnològics. En aquest estudi, el treball ha estat dut a terme per una única persona del gènere masculí, i la majoria dels articles en què s’ha basat han estat publicats per homes. Un increment en la participació femenina hauria pogut aportar una perspectiva diferent, permetent trobar solucions més eficients en diversos aspectes, fet que hauria donat lloc a un projecte més complet. Es fonamental promoure la participació activa de les dones en projectes per garantir una representació equilibrada i obtenir el millor de tothom. Diversos ODS que venen directament relacionats amb la naturalesa del projecte, essent part de la base d’aquest son els següents: - 7º Energia neta i assequible - 11º Ciutats i comunitats sostenibles - 13º Acció pel clima Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 145 11. Conclusions L’objectiu d’aquest treball era dissenyar un biodigestor per tal d’extreure energia de matèria orgànica de rebuig, generada per un petit hort urbà, per tal de mostrar el Potencial que té l’energia biomassa en produir energia renovable de fonts no tan conegudes. Durant el desenvolupament del projecte, s’ha buscat mostrar i explicar el funcionament d’aquest tipus d’energies, parlant sobre els tipus en què es separen, mostrant els productes que es poden obtenir i l’estat actual d’aquestes tecnologies. També s’ha aprofundit en la teoria que envolta els processos de digestió anaeròbica, centrant el treball en mostrar la tipologia de bioreactors existents i els seus usos. Juntament amb la teoria mostrada, s’ha donat context als diversos temes que engloben els digestors, com són els microorganismes que hi formen part o la tecnologia d’agitació que s’empra en aquests. A partir de tot el recull d’informació, la tipologia de matèria a digerir i el producte que es volia obtenir, s’ha fet un recopilatori de diversos estudis sota condicions similars a les plantejades, obtenint valors estimatius per a 37,5 kg de matèria orgànica setmanals. En termes de produccions mensuals de biogàs i metà, es preveuen entre 600 i 772 L de biogàs i entre 306 i 392 L de metà, amb Potencials bioquímics de gairebé el doble per a aquesta tipologia de gasos. S’ha dut a terme una recerca de les condicions necessàries per tal que es donés estabilitat en el sistema, establint uns marges de funcionament en pH entre 6 i 8, i un volum de treball de 185 L. El tipus de reactor escollit ha estat un que funciona per batchsemicontinu, el qual disposa d’un sistema de mescla continu o semicontinu, amb uns temps de retencions hidràuliques d’entre 17 i 35 dies. Quant a les dimensions d’aquest, s’ha escollit un tanc principalment cilíndric amb un radi de 0,3 m i una alçada total de 1,2 m per tal de fer-lo accessible per a la majoria de persones. El rodet encarregat d’agitar la barreja escollit ha estat una turbina Rushton de 6 pales genèrica amb un radi total de 198 mm, rodejada de 4 Baffles simètrics. A l’estudi tèrmic, sota condicions desfavorables i amb certes simplificacions, s’ha obtingut que per a mantenir la barreja als 31 graus escollits, caldria un element calefactor de 450 W ubicat dins del reactor, rodejant aquest amb una manta tèrmica de llana de roca d’1 cm de gruix. Per tal d’emmagatzemar la producció de gas, s’ha escollit un tanc flexible cilíndric de 2,63 m³ i 1 mm de gruix. Es preveu que el gas s'utilitzi principalment per escalfar menjar Pàg. 146 Memòria o per a la producció d’aigua calenta sanitària (ACS) mitjançant una caldera. També se’n donarà ús dels 37,5 kg de digestats, que s’escamparan per l’hort cada cop que es dugui a terme el semi-batch, un cop per setmana. Tot el sistema estarà controlat per un microcontrolador encarregat de mesurar el pH, gestionar el funcionament del motor en intervals, controlar la potencia calorífica subministrada, així com el volum o la densitat de la barreja. S’ha assolit l’objectiu general del treball, no obstant això, donada la complexitat dels bioreactors, es recomana realitzar estudis experimentals a menor escala per verificar la validesa dels resultats i ajustar les condicions de treball segons la producció desitjada. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 147 12. Agraïments Desitjo expressar el meu sincer agraïment a totes les persones que m’han ajudat durant aquest treball de recerca. En primer lloc, vull agrair al meu tutor de projecte, Jordi Bou, per la seva orientació i suport incondicional. Les seves recomanacions i consells han estat fonamentals per al desenvolupament d’aquest treball i també m’han servit de guia durant les decisions en aquest últim quadrimestre a l’escola. A la meva família, per la seva paciència i suport constant. La seva comprensió i ànim han estat de gran ajuda durant tot el procés. També vull agrair als meus amics, els quals han estat un gran suport. Els consells que m’han donat, aquells que ja havien realitzat el treball, han estat de gran ajuda. També agrair el poder recolzar-nos mútuament entre els companys que teníem l’entrega el mateix dia. Finalment, estic molt agraït amb l’hort de Can Batlló, i més específicament amb en David M., per la seva amable invitació a visitar l’hort que estudio en aquest projecte. La seva explicació detallada sobre el funcionament de l’hort ha estat essencial per comprendre la producció de matèria orgànica i ha contribuït a realitzar un treball més precís. Pàg. 148 Memòria 13. Bibliografia [1] Cristina, C. (2022, gener). Quin va ser l'origen de l'agricultura? National Geographic https://www.nationalgeographic.es/historia/2022/01/cual-fue-el-origen-de-la-agricultura [2] Diputación Foral de Bizkaia. (s. f.). Injertos en agricultura. https://www.bizkaia.eus/nekazaritza/agricultura/boletines/ca_injertos.pdf?hash=5f2f68a ec62118ceed91191295336268 [3] International Energy Agency (IEA). (2024, 1 de gener). Renewables 2023 – analysis. https://www.iea.org/reports/renewables-2023 [4] International Energy Agency (IEA). (2024). Renewable Energy Progress Tracker – Data Tools. https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tools/renewable-energy-progress-tracker [5] United Nations. (s. f.). What is renewable energy? https://www.un.org/en/climatechange/what-is-renewable-energy [6] Jacobs, T. (2023, 14 de febrer). US Department of Energy Wants To Give Geothermal Pilots $74 Million. JPT. https://jpt.spe.org/us-department-of-energy-wants-to-give-geothermal-pilots-74-million [7] IPCC. (s. f.). Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. https://www.ipcc.ch/report/renewable-energy-sources-and-climate-change-mitigation/ [8] Andrew, T. Elizabeth, M.(s. f.). Biomass energy. National Geographic Society https://education.nationalgeographic.org/resource/biomass-energy/ [9] Rischard, B.. (2018, 6 de novembre). Today in energy: Biomass and renewable energy. U.S. Energy Information Administration https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=36132 [10] U.S. Energy Information Administration. (2024). Biomass. Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 149 https://eia.gov/energyexplained/biomass/ [11] European Commission. (2023). Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on the energy performance of buildings. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A52023DC0650 [12] European Commission. (s. f.). Biomass. https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/bioenergy/biomass_en [13] Ingenieros Asesores. (2022). Energía de biomasa: Ventajas y desventajas como fuente de energía. https://ingenierosasesores.com/actualidad/energia-biomasa-ventajas-y-desventajas- como-fuente-de-energia/ [14] EDP. (s. f.). Energía de biomasa: Ventajas e inconvenientes de esta fuente alternativa. https://www.edp.com/es/edp-yes/energia-de-biomasa-ventajas-e-inconvenientes-de- esta-fuente-alternativa [15] Tillman, D. A., Duong, D. N. B., & Harding, N. S. (2012). Blending coal with biomass: Cofiring biomass with coal. In Solid fuel blending (pp. 125-200). Elsevier.. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780123809322000040 [16] European Commission. (2003). Co-firing of biomass in coal-fired power plants. https://energy.ec.europa.eu/system/files/2015-02/2003_cofiring_eu_bionet_0.pdf [17] Chisti, Y. (2006). Bioreactor design. Massey University, New Zealand.. http://ndl.ethernet.edu.et/bitstream/123456789/1302/1/168%2C2006.pdf.pdf#page=198 [18] Meegoda, J. N., Li, B., Patel, K., & Wang, L. B. (2018). A review of the processes, parameters, and optimization of anaerobic digestion https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6210450/ [19] Li, Y., Park, S. Y., & Zhu, J. (2011). Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(1), 821-826. Pàg. 150 Memòria https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032110002224 [20] Rajlakshmi, Jadhav, D. A., Dutta, S., Sherpa, K. C., Jayaswal, K., Saravanabhupathy, S., Mohanty, K. T., Banerjee, R., Kumar, J., & Rajak, R. C. (2023). Co-digestion processes of waste: Status and perspective. In Bio-based materials and waste for energy generation and resource management (Vol. 5, pp. 207-241). Advanced Zero Waste Tools. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780323911498000107 [21] Sánchez-Reyes, C., Patiño-Iglesias, M. E., Alcántara-Flores, J. L.. (2020). Estudio de la digestión anaeróbica y producción de biogás. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827120300042 [22] Michele, R. Adriane B. Luciana V. Carlos S.. (2011). Application of different types of bioreactors in bioprocesses. https://www.researchgate.net/profile/Michele- Spier/publication/287302702_Application_of_different_types_of_bioreactors_in_biopro cesses/links/56bb9a6108ae3f9793153b5c/Application-of-different-types-of-bioreactors- in-bioprocesses.pdf [23]Antonio C. (s. f.). Different types of bio-reactors used for anaerobic digestion. ResearchGate. https://www.researchgate.net/figure/different-types-of-bio-reactor-used-for-anaerobic- digestion_tbl1_280882276 [24] EPCM Holdings. (n.d.). Chemical reactors: Types and operations. https://epcmholdings.com/chemical-reactors-types-and-operations/ [25] LibreTexts. (s. f.). Types of microorganisms. https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Microbiology/Microbiology_(Boundless)/01%3A_I ntroduction_to_Microbiology/1.02%3A_Microbes_and_the_World/1.2.01%3A_1.2A_Ty pes_of_Microorganisms [26] Lumen Learning. (n.d.). Types of microorganisms. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-microbiology/chapter/types-of- microorganisms/ Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 151 [27] Nguyen, L. N., Nguyen, A. Q., & Nghiem, L. D. (2018). Microbial community in anaerobic digestion system: Progression in microbial ecology. In Water and wastewater treatment technologies (pp. 331-355). Springer. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-3259-3_15 [28] Lim, J. W., Park, T., Tong, Y. W., & Yu, Z. (2020). The microbiome driving anaerobic digestion and microbial analysis. Advances in Bioenergy, 5, 1-61. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7198183/ [29] Abdul Rohim, R. A., Ahmad, W. M. A. W., Ismail, N. H., Mohamad Ghazali, F. M., & Alam, M. K. (2020). Modeling the growth of bacteria Streptococcus sobrinus using exponential regression. Título de la revista o conferencia. https://www.scielo.br/j/pboci/a/PFvygzNPhNzdrBhgNvjRtBD/?lang=en&format=pdf [30] El Bari, H., Bakraoui, M., El Gnaoui, Y., & Karouach, F. (2021). Kinetics models of methane production from anaerobic digestion. In Biomass waste based biorefineries (Vol. 1, pp. 271-294). Clean Energy and Resources Recovery. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780323852234000208 [31] Shirsat, N., Mohd, A., Whelan, J., English, N. J., Glennon, B., & Al-Rubeai, M. (2014). Revisiting Verhulst and Monod models: Analysis of batch and fed-batch cultures. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4371576/ [32] Can Batlló. (s. f.). Can Batlló - Cooperativa i Associació. https://canbatllo.org/ [33] Viswanath, P., Sumithra Devi, S., & Nand, K. (1992). Anaerobic digestion of fruit and vegetable processing wastes for biogas production. Bioresource Technology, 40(1), 43- 48. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/096085249290117G [34] Sridevi, D., & Ramanujam, R. A. (2012). Biogas generation in a vegetable waste anaerobic digester: An analytical approach. International Research Journal of Environment Sciences, 1(2), 23-30. https://www.isca.me/rjrs/archive/v1/i3/6.ISCA-RJRS-2012-051_Done.pdf Pàg. 152 Memòria [35] Ge, C.-Y., Wang, J.-J., Gu, X.-P., & Feng, L.-F. (s. f.). CFD simulation and PIV measurement of the flow field generated by modified pitched blade turbine impellers. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263876213003535 [36] García-Cortéz, D., & Jáuregui-Haza, U. (2006). Hidrodinámica en tanques agitados con turbinas de disco con paletas planas. Revista Facultad de Ingeniería de Antioquia, 38(1), 49-58. https://revistas.udea.edu.co/index.php/ingenieria/article/view/343238 [37] Uribe Ramírez, A. R., Rivera Aguilera, R., Aguilera Alvarado, A. F., & Murrieta Luna, E. (2012). Agitación y mezclado. Universidad Abierta y a Distancia de México. https://dmd.unadmexico.mx/contenidos/DCSBA/BLOQUE1/BI/06/BOU2/unidad_01/des cargables/BOU2_U1_Contenido.pdf [38] Neuner, T., Meister, M., Pillei, M., & Rauch, W. (2024). Optimizing mixing efficiency of anaerobic digesters with high total solids concentrations using validated CFD simulations. Biochemical Engineering Journal, 208, 109320.. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369703X24001074 [39] Singh, B., Szamosi, Z., & Siménfalvi, Z. (2020). Impact of mixing intensity and duration on biogas production in an anaerobic digester: A review. Journal Name, Volume(Issue), 508-521. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/07388551.2020.1731413#abstract [40] Babaei, A., & Shayegan, J. (2020). Efectes de la temperatura i els modes de mescla sobre el rendiment del digestor de slurry anaeròbic de residus sòlids municipals. Waste and Biomass Valorization. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6985316/ [41] Kowalczyk, A., Harnisch, E., Schwede, S., Gerber, M., & Span, R. (2013). Diferents modes de mescla per a plantes de biogàs utilitzant cultius energètics. Applied Energy, 112, 465-472. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261913002614 [42] Energypedia. (s. f.). Calefacció del digestor. https://energypedia.info/wiki/Digester_Heating Disseny d'un Bioreactor per l'Aprofitament de Restes Agrícoles en un Hort Urbà Pàg. 153 [43] Núria G., Roser C. .(2022) Enginyeria Mecànica. Transmissió de calor. Annexos. https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/329865/Annexes_versio_ng_19091 0.pdf;jsessionid=75400E5DCC128369210DCB15CA2B47B6?sequence=5 [44] Engineering ToolBox. (s. f.). Convective heat transfer. https://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html [45] Instituto Nacional de Tecnología Industrial. (s. f.). Pressure Vessels – Unidad 1: Visión General código ASME Secc VIII, div 1. https://cie.gov.ar/web/images/ASME-Intro.pdf [46] Seo, Y. (s. f.). Disseny mecànic de tancs a pressió. https://ocw.snu.ac.kr/sites/default/files/NOTE/4.%20Mechanical%20design%20of%20p ressure%20vessels.pdf 13.1. Bibliografia d’imatges [47] Agenciasinc. (2019). Óxido nitroso para mejorar la obtención de energía geotérmica. https://www.agenciasinc.es/Noticias/Oxido-nitroso-para-mejorar-la-obtencion-de- energia-geotèrmica [48] Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. (2019). Clasificación de Biomasa. Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. https://old.sma.gob.mx/SGA-CC-EL-CLAS-ER-BIOMASA.php [49] European Commission. (2023). Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/legalcontent/EN/TXT/?uri=CELEX%3A52023DC0650&qid=1708966429742#document2 [50] Dreamstime. (n.d.). Proceso del sistema de la gasificación gráfico V. Dreamstime.