ES2859480T3 - Procedimiento y dispositivo para producir biogás - Google Patents

Abstract

Procedimiento para producir biogás, que comprende los siguientes pasos: la fermentación, al menos parcial, de un sustrato que contiene celulosa, durante un primer tiempo de permanencia a una temperatura comprendida en el intervalo de 20 ºC a 55 ºC en un primer reactor (1) con bacterias mesófilas, que son adecuadas para producir metano a partir de ácido acético, la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), con bacterias hipertermófilas, siendo adecuadas las bacterias hipertermófilas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado, la incubación del sustrato al menos parcialmente fermentado, a una temperatura comprendida en el intervalo de 55 ºC a 80 ºC durante un segundo tiempo de permanencia, formándose al menos parcialmente ácido acético, el retorno del sustrato con ácido acético del segundo reactor (2) al primer reactor (1), la incubación del sustrato con ácido acético en el primer reactor (1), el aislamiento de biogás, que contiene metano, del primer reactor (1), comprendiendo el paso de la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), la transferencia de la parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un dispositivo de aireación para la inactivación de bacterias anaeróbicas.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para producir biogás

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para producir biogás.

El biogás se produce en instalaciones de biogás que se usan por ejemplo en la agricultura y se alimentan generalmente de excrementos animales y plantas energéticas como sustrato. Durante la fermentación del material orgánico se origina el biogás como producto metabólico de bacterias y microorganismos. El biogás es una mezcla de gases formada por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) con hasta 2 % de sulfuro de hidrógeno (H2S) y gases traza tales como amoniaco (NH3), hidrógeno (H2), nitrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO).

El biogás se puede producir a partir de prácticamente cualquier sustancia orgánica con los componentes básicos grasa, proteína e hidratos de carbono. La paja (paja de trigo, paja de colza y similares) que contiene sobre todo celulosa y lignocelulosa es de difícil degradación bajo procesos anaeróbicos y por tanto se emplea poco o se somete a un tratamiento previo. Especialmente la paja de arroz es difícil de desintegrar a causa de altas partes de lignina y de silicato, en comparación con materias primas de fácil fermentación como ensilaje de maíz y, por tanto, consigue menores rendimientos de biogás en instalaciones de biogás convencionales.

El documento EP2927308A1 se refiere a un procedimiento y una instalación de biogás para producir biogás a partir de paja. Están previstos medios para el tratamiento previo de la paja para causar una desintegración mecánica de la misma antes de introducir la paja en un fermentador en el que se produce una fermentación bacteriana anaeróbica. El tratamiento previo de la paja mediante la molienda en un molino de martillo, como se propone por ejemplo en el documento EP2927308A1, es costoso y conduce a una aglutinación de la masa de fermentación, de manera que se inhiben la percolación y por tanto la formación de biogás.

El documento EP2679688 describe una instalación de biogás con dos bio-reactores - un primer fermentador con una temperatura de funcionamiento de 40 a 50 °C con baterías mesófilas para la fabricación de gas metano a partir de ácido acético y - un segundo fermentador que en el rango hipertermófilo a 80 °C produce gas metano. En el segundo bio-reactor hipertermófilo tiene lugar la desintegración de la paja, esto hace superfluo el uso de sustancias químicas adicionales.

El documento DE102013114786 describe una instalación de biogás con dos depósitos de fermentación. La primera etapa de fermentación trabaja en el intervalo de 35 a 55 °C, la segunda etapa de fermentación trabaja en el intervalo de temperatura de 15 a 25 °C.

Por lo tanto, la invención tiene el objetivo de proporcionar un procedimiento mejorado para la fabricación de biogás. En particular, la invención puede tener el objetivo de mejorar un procedimiento en cuanto a su rentabilidad. Además, la invención puede tener el objetivo de proporcionar un procedimiento que mejore la fabricación de biogás a partir de paja y/o que haga posible la fabricación de biogás a partir de paja de arroz. Además, la invención puede tener el objetivo de proporcionar una instalación de biogás para la realización del procedimiento.

El objetivo se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 1 así como mediante una instalación de biogás con las características de la reivindicación subordinada. Variantes ventajosas resultan con las características de las reivindicaciones subordinadas y los ejemplos de realización.

El procedimiento propuesto para producir biogás comprende los pasos que se describen a continuación. Los pasos descritos no tienen que realizarse en el orden indicado.

Un sustrato que contiene celulosa y/o lignocelulosa, como por ejemplo paja o paja de arroz, se fermenta al menos parcialmente en un primer reactor con bacterias mesófilas durante un primer tiempo de permanencia. La temperatura dentro del reactor asciende durante ello a como mínimo 20 °C, preferentemente como mínimo 25 °C, de forma especialmente preferible como mínimo 30 °C y/o como máximo 55 °C, preferentemente como máximo 43 °C, de forma especialmente preferible como máximo 46 °C. La temperatura se puede ajustar mediante el calentamiento del contenido del primer reactor y/o se puede ajustar al menos parcialmente mediante reacciones exotérmicas de los procesos metabólicos bacterianos durante la fabricación de metano. Las bacterias mesófilas son adecuadas para fabricar metano a partir de ácido acético. Cabe mencionar que “bacterias” se entienden aquí en un sentido más amplio. Es científicamente controvertido si la arqueas y las bacterias son taxones distintos. Sin embargo, por bacterias se entienden especialmente también arqueas. Las arqueas pueden ser preferentemente del orden de los methanobacteriales, methanococcales, methanomicrobiales, methanocellales, methanosarcinales, methanoscarcina, methanococcus, methanobacterium, methanobrevibacter, methanothermobacter y/o de los methanopirales. Las bacterias pueden comprender tanto metanógenos que disocien acetato, como metanógenos que oxiden hidrógeno. Los metanógenos que disocian acetato forman metano por ejemplo a partir de compuestos que contienen grupos metilo, por ejemplo, ácido acético, por el hecho de que disocian el grupo metilo y lo reducen a metano. Los metanógenos que oxidan hidrógeno, en cambio, reducen dióxido de carbono con hidrógeno formando metano y agua, así como mediante la reacción de ácido fórmico (HCOOH). El primer reactor preferentemente está cerrado de forma hermética al aire, de manera que se pueda garantizar una fermentación anaeróbica.

El primer tiempo de permanencia es el tiempo durante el que el sustrato permanece dentro del primer reactor. Durante este tiempo seguido, el sustrato puede permanecer dentro del primer reactor, o bien, un primer tiempo de permanencia también puede referirse a un tiempo aditivo que describe el tiempo durante el que una cantidad parcial del sustrato permanece dentro del primer reactor entre un momento de la primera introducción de la cantidad parcial del sustrato en la instalación de biogás y el momento de la evacuación de la cantidad parcial del sustrato de la instalación de biogás. El tiempo de permanencia preferible es de al menos 20 días, preferentemente como mínimo 25 días y/o como máximo 40 días, preferentemente como máximo 35 días. El sustrato que contiene celulosa y/o lignocelulosa es normalmente paja, preferentemente paja de arroz. Pero también se pueden usar proporciones de mezcla de sustratos que contienen celulosa y/o lignocelulosa y de sustratos de fácil fermentación como por ejemplo estiércol líquido, compost o restos de alimentos. Una proporción de masa de sustratos que contienen celulosa y/o lignocelulosa mC/LC con respecto a una proporción de masa de sustratos de fácil fermentación ^itiiv puede ser de como mínimo Mc/Lc/miv =50/1, preferentemente de como mínimo mc/Lc/miv =40/1, de forma especialmente preferible Mc/Lc/miv =20/1 en partes en peso.

Otro paso de procedimiento es la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor, calentable, con bacterias hipertermófilas, siendo las bacterias hipertermófilas adecuadas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado. Las bacterias hipertermófilas tienen un crecimiento óptimo a temperaturas superiores a 60 °C. Las bacterias hipertermófilas son preferentemente bacterias del grupo de los clostridios, preferentemente clostridium aceticum, clostridium termocellum y/o clostridium stecorarium. Estos, en simbiosis con otras especies, pueden desintegrar al menos parcialmente lignocelulosa y metabolizarla formando ácidos orgánicos inferiores y alcoholes de cadena corta. Estos productos intermedios pueden ser: ácido acético, ácido fórmico, ácido propiónico, ácido butírico, etanol, butanol y/o butanodiol. A continuación, estos productos intermedios pueden seguir siendo degradados por bacterias acetogénicas formando hidrógeno, dióxido de carbono y principalmente ácido acético. El segundo reactor puede estar estanqueizado de forma hermética al aire, de manera que pueda tener lugar una fermentación anaeróbica bajo exclusión de oxígeno.

El sustrato al menos parcialmente fermentado se incuba durante un segundo tiempo de permanencia a una temperatura comprendida en el intervalo de como mínimo 55 °C, preferentemente como mínimo 60 °C, de forma especialmente preferible como mínimo 65 °C y/ como máximo 80 °C, preferentemente como máximo 75 °C, de forma especialmente preferible como máximo 70 °C. Durante ello se forma al menos en parte ácido acético. Normalmente, el segundo tiempo de permanencia del sustrato en el segundo reactor es de como mínimo 10 horas, preferentemente como mínimo un día y/o como máximo 5 días, preferentemente como mínimo dos días y/o como máximo tres días. Así, se puede suprimir en mayor parte la formación de sustancias acompañantes (fenoles, cresoles, dimetilfenoles, vainillina). Además, al segundo reactor pueden añadirse mezclando preparados de hierro. Los preparados de hierro pueden incorporarse al sustrato ya durante la introducción en el primer reactor y/o directamente al reactor termófilo. Un producto de reacción puede esclusarse del reactor termófilo en caso de altas concentraciones. Cantidades / residuos pueden eliminarse del sistema con el resto de fermentación sólido durante el proceso de separación. Al igual que el primer tiempo de permanencia, también el segundo tiempo de permanencia puede ser absoluto o aditivo. Por lo tanto, el sustrato puede permanecer en el segundo reactor durante un segundo tiempo de permanencia seguido, o bien, una suma de intervalos de tiempo individuales que el sustrato pasa en el segundo reactor, corresponde al segundo tiempo de permanencia.

Del segundo reactor, el sustrato con el ácido acético formado se retorna al primer reactor. Después de la incubación en el segundo reactor, la lignocelulosa o celulosa contenida en el sustrato se desintegró al menos parcialmente formando ácido acético. La lignocelulosa que no ha sido transformada en ácido acético durante el segundo tiempo de incubación ha sido desintegrada al menos parcialmente por microorganismos, formando estructuras inferiores. El lodo retornado con el ácido acético formado se incuba en el primer reactor, y especialmente el ácido acético es transformado en metano por bacterias mesófilas, tal como se ha descrito anteriormente.

En un paso adicional, se aísla del primer reactor biogás que contiene metano. El biogás contiene normalmente 40 % a 60 % de metano (CH4), 40 % a 60 % de dióxido de carbono (CO2), 100 a 5.000 ppm de sulfuro de hidrógeno (H2S) y gases traza.

El procedimiento ofrece además la ventaja de que incluso en caso de una reducida concentración de nitrógeno amoniacal se puede fabricar biogás. Mientras en las instalaciones de biogás conocidas se parte de unas concentraciones mínimas de nitrógeno amoniacal de 1,1 a 2,5 g de NH4-N/l, el procedimiento descrito anteriormente puede producir biogás ya con concentraciones de como mínimo 100 mg de NH4-N/l, preferentemente como mínimo 150 mg de NH4-N/l, de forma especialmente preferible como mínimo 200 mg de NH4-N/l y/o como máximo 1 g de NH4-N/l, preferentemente como máximo 700 mg de NH4-N/l, de forma especialmente preferible 400 mg de NH4-N/l. Mediante la adaptación de los microorganismos a la baja carga de N, además no es esencial mantener artificialmente la concentración de N, por ejemplo, mediante la carga excesiva de estiércol líquido, o incluso la adición de productos de nitrógeno químicos. En este caso, evidentemente, hay que tener en consideración la proporción entre carbono y nitrógeno. Por consiguiente, la invención puede instalarse también en regiones en las que surjan sólo cantidades reducidas de estiércol líquido. En las instalaciones de biogás convencionales, este es en parte el componente esencial.

La tasa específica de formación de biogás de la instalación de biogás descrita o del procedimiento descrito puede ascender, a partir de paja de arroz, a como mínimo 200 Nm3 de metano /(t oTS preferentemente como mínimo 210 Nm3 de metano /(t oTS) y/o a hasta 250 Nm3 de metano /(t oTS), preferentemente a hasta 330 Nm3 de metano /t oTS. El tiempo de permanencia normalmente asciende a como máximo 30 días, mientras que, en instalaciones de biogás convencionales, con un tiempo de permanencia comparativamente largo de 180 días, se consiguieron unos rendimientos comparativamente bajos de tan sólo 210 Nm3 de metano /(t oTS).

Una proporción de volumen de recepción de sustrato, es decir, una proporción entre el volumen de sustrato que un reactor puede recibir, entre el segundo y el primer reactor asciende normalmente a aproximadamente V2/V1 = 1/20, preferentemente a aproximadamente V2/V1 = 1/6, de forma especialmente preferible a aproximadamente V2/V1 = 1/15. El primer reactor puede recibir por ejemplo 1.000 m3 de sustrato, mientras que el segundo reactor puede recibir 50 m3 de sustrato, de forma especialmente preferible 100 m3 de sustrato. Una proporción ventajosa entre V2 y V2 puede situarse entre 1/6 y como máximo 1/20.

Una carga volumétrica describe una cantidad de sustancia seca orgánica (oTS), medida en el volumen del reactor durante un tiempo en días. La carga volumétrica en el primer reactor es normalmente de como mínimo 2,5 (kg de oTS)/(m3 d), preferentemente como mínimo 3 (kg de oTS)/(m3 d), de forma especialmente preferible 3,5 (kg de oTS)/(m3 d) y/o como máximo 5,0 (kg de oTS)/(m3 d), preferentemente como máximo 4,5 (kg de oTS)/(m3 d).

La carga volumétrica del segundo reactor es en algunos ejemplos de realización entre 5 y 20 veces más alta, preferentemente entre 7 y 13 veces más alta, de forma especialmente preferible entre 9 y 11 veces más alta que la carga volumétrica en el primer reactor.

Un suministro de sustancia sólida en forma de paja, especialmente paja de arroz, al primer reactor asciende preferentemente a como mínimo 10 % en peso en el flujo entrante, de forma especialmente preferible entre 20 % en peso y 40 % en peso, como máximo hasta 70 % en peso. Se añade preferentemente entre 30 y 90 % en peso de estiércol líquido, por ejemplo, estiércol líquido vacuno, de forma especialmente preferible 60 % en peso. Alternativamente al estiércol líquido y/o agua, se puede añadir un producto recirculado para la puesta a disposición de líquido, preferentemente entre 5 y 80 % en peso, de forma especialmente preferible entre 10 y 70 % en peso. En su totalidad, las sustancias sólidas mencionadas anteriormente pueden ascender preferentemente al 100 %.

En el primer y/o el segundo reactor, el sustrato puede mezclarse, preferentemente mezclarse de forma continua, por medio de un equipo de bombeo y/o un equipo agitador. Esto puede resultar ventajoso para evitar deposiciones y una aglutinación del sustrato, de manera que se pueda generar una temperatura y una distribución de nutrientes a ser posible homogéneas.

El procedimiento se realizará al menos en parte de forma circulante, es decir que los pasos de “la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor, calentable, con bacterias hipertermófilas, siendo adecuadas las bacterias hipertermófilas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado” y de “la reconducción del sustrato con ácido acético del segundo reactor al primer reactor” se repiten. De esta manera, se puede generar una circulación de sustrato y el sustrato se puede seguir desintegrando con cada nuevo paso por un reactor. Las reacciones dentro de los reactores pueden influir unas en otras, ya que por ejemplo el producto de reacción en el segundo reactor (ácido acético), en el primer reactor es un reactivo. De una producción de metano, por lo tanto, es responsable directamente una producción de metano en el primer reactor, pero indirectamente también se precisa una desintegración de celulosa o de lignocelulosa en el segundo reactor. Una desintegración adicional ventajosa, especialmente de sustrato de difícil fermentación como por ejemplo la lignocelulosa, puede generar por tanto una mayor producción de metano que un paso único de sustrato por el primer y/o el segundo reactor.

Los residuos de fermentación que quedan en el primer reactor y que tras una fermentación dentro del primer reactor sustancialmente no pueden seguir siendo desintegrados por las bacterias, pueden evacuarse del primer reactor y drenarse. A través de un equipo de medición que mide cuán alto es el rendimiento de biogás en un momento actual, por ejemplo, se puede determinar cuándo desciende un rendimiento de biogás. Si ya no se produce suficiente o ya sólo se produce poco biogás, los restos de sustrato que queden en el reactor en su mayor parte ya no pueden seguir siendo desintegrados. Por lo tanto, estos restos de sustrato son residuos de fermentación. Un momento en el que deberían evacuarse los residuos de fermentación también puede estar definido y no ser determinado por un rendimiento de biogás. Por ejemplo, pueden ser evacuados residuos de fermentación periódicamente al cabo del primer tiempo de permanencia. A través de un conducto de evacuación, un líquido de proceso separado correspondientemente puede volver a suministrarse al menos en parte al primer reactor. Los residuos de fermentación son residuos líquidos o sólidos que quedan tras la fermentación de sustrato. Durante el drenaje se pueden separar líquidos de los residuos de fermentación sólidos, de tal forma que resulten un resido de fermentación sólido y un líquido de proceso. Los residuos de fermentación sólidos pueden esclusarse de la instalación de biogás y el líquido de proceso puede suministrarse a un dispositivo mezclador o directamente al primer reactor. Por lo tanto, la evacuación puede conducir directamente a un dispositivo de drenaje y, desde allí, o bien al primer reactor, o bien al dispositivo mezclador. Dentro del dispositivo mezclador, el sustrato que debe suministrarse al primer reactor puede ser mezclado con el líquido de proceso para conseguir una consistencia más homogénea del sustrato y/o poder ajustar un contenido de sustancia seca. La sustancia seca es la parte de una sustancia que queda tras la extracción total de agua. Del dispositivo mezclador se puede conducir al primer reactor una mezcla de sustrato y de líquido de proceso.

Del segundo reactor se pueden esclusar posibles sustancias perturbadoras. Durante la degradación de biomasa se puede originar como producto no deseado por ejemplo ácido silícico. A través de equipos de circulación, estas pueden llegar al primer reactor y actuar allí inhibiendo la formación de metano. Para reducir una concentración de ácido silícico inhibidor de la formación de metano y/u otras bacterias de sustancias nocivas, esta por tanto se puede esclusar preferentemente ya en el primer reactor. Esto puede favorecer por tanto la formación de metano y repercutir positivamente en el grado de eficacia de la instalación de biogás.

Además, como ya se ha mencionado, el sustrato que contiene celulosa puede contener lignocelulosa. Preferentemente, como sustrato se puede usar biomasa de tipo paja, por ejemplo, paja, especialmente paja de trigo, heno y/o paja de arroz y/o ensilajes de estos. Resulta adecuada especialmente la paja de arroz, ya que en esta existe un alto contenido de energía por una alta parte de lignocelulosa. Mediante la desintegración de la lignocelulosa en el segundo reactor, esta energía puede hacerse aprovechable en el primer reactor en forma de biogás. Los ensilajes son sustratos conservados por bacterias de ácido láctico, en donde el azúcar contenido en el sustrato ha sido transformado en ácidos por bacterias de ácido láctico. Además, la instalación de biogás también puede alimentarse de estiércol líquido o sustancias residuales de tipo estiércol líquido, preferentemente de estiércol líquido de gallinas, de cerdos o de vacas.

Normalmente, un valor pH del sustrato en el primer reactor se sitúa en el rango entre pH neutro y ligeramente básico, de manera que las bacterias mesófilas puedan vivir bajo condiciones de vida lo más favorables posible para favorecer la formación de metano. Unas condiciones de vida favorables se sitúan normalmente entre un pH de 6,6 y de 8,3.

En el segundo reactor, el valor pH asciende normalmente a como mínimo 3,5, preferentemente como mínimo 4,5 y/o como máximo 7,5; preferentemente como máximo 6,5. Un valor pH de este tipo puede favorecer la formación de ácido acético en el segundo reactor por las bacterias hipertermófilas. En el primer reactor, a su vez, a partir del ácido acético se puede formar metano, de manera que una mayor producción de ácido acético favorece indirectamente la formación de metano.

Normalmente, las fibras del sustrato pueden triturarse antes de la introducción del sustrato en el primer reactor. Las fibras del sustrato por ejemplo se pueden pretratar mecánicamente con un molino cortador. La paja de arroz normalmente se recorta a una longitud de fibras de 40 mm, siendo posibles evidentemente, tanto para la paja de arroz como para otras fibras de sustrato, también otras longitudes de fibras, preferentemente inferiores a 60 mm. Una trituración de este tipo puede ofrecer la ventaja de que las fibras del sustrato no pueden enrollarse alrededor de dispositivos agitadores o rotores de bombas perjudicando su función.

El sustrato, especialmente paja, estiércol líquido y residuos líquidos de fermentación, puede mezclarse antes de su introducción en el primer reactor. Sin embargo, la paja, especialmente paja de arroz, también puede introducirse en el primer reactor sin añadir mezclando previamente estiércol líquido, líquidos de proceso y/u otras biomasas. Esto ofrece la ventaja de que se puede prevenir el calentamiento propio por oxígeno disuelto en la mezcla por procesos de respiración y la formación de metano al cabo de cierto tiempo de espera y las pérdidas de energía resultantes. Además, el depósito de presentación frecuentemente no se puede refrigerar, por lo que no puede producirse ninguna inactivación de microorganismos. Preferentemente, la paja de arroz está sustancialmente secada, triturada mecánicamente y está presente a granel de forma suelta. La paja de arroz puede introducirse en el primer reactor por ejemplo por medio de un tornillo sinfín de introducción. Paralelamente a ello se pueden introducir en el primer reactor otras biomasas (por ejemplo, estiércol líquido y/o ensilajes), por ejemplo, por medio de bombas. La invención se refiere además a una instalación de biogás para producir biogás, que contiene un primer reactor, un segundo reactor y un equipo de circulación. El primer reactor contiene bacterias mesófilas adecuadas para la fabricación de metano a partir de ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. El segundo reactor se puede calentar y contiene bacterias hipertermófilas adecuadas para la fermentación al menos parcialmente aneoróbica de un sustrato que contiene celulosa, preferentemente lignocelulosa, formando ácido acético. El equipo de circulación para producir un circuito de biomasa entre el primer reactor y el segundo reactor comprende un equipo de transporte y al menos un conducto de unión que une el primer reactor y el segundo reactor. El equipo de transporte está concebido para transportar sustrato por el conducto de unión tanto del primer reactor al segundo reactor como del segundo reactor al primer reactor. El equipo de circulación puede presentar un dispositivo de bombeo que bombee sustrato de un reactor al otro. El dispositivo de bombeo puede presentar por ejemplo una bomba excéntrica de tornillo sinfín.

El conducto de unión para transportar sustrato del primer al segundo reactor comprende según la invención un equipo de circulación, para que se eliminen o inactiven al menos en parte cepas de bacterias anaeróbicas del primer reactor. En algunos ejemplos de realización, en el conducto de unión están previstas, respectivamente antes y después del equipo de circulación, una válvula, preferentemente una válvula de una sola vía, y una bomba. Así, por ejemplo, estando cerrada la válvula detrás del equipo de circulación, con esta bomba se puede bombear sustrato del primer reactor, a través de una válvula abierta antes del dispositivo de aireación, al dispositivo de aireación y airearse allí. Opcionalmente, el dispositivo de aireación puede estar situado a mayor altura en comparación con la salida del conducto de unión del primer reactor, de manera que la bomba bombee el sustrato hacia arriba (es decir, en un sentido contrario a la fuerza de peso), de tal forma que, a causa de la compensación de presión hidrostática, el sustrato se someta a una presión. Esto se puede realizar por ejemplo bombeando el sustrato a un equipo de aireación en forma de una columna vertical. A continuación de la aireación y después de haberse llenado el dispositivo de aireación, se cierra la válvula delante del dispositivo de aireación. Después de la aireación, se abre la válvula detrás del dispositivo de aireación. En algunas formas de realización, en las que el sustrato está sometido a una presión, por la diferencia de presión y la aspiración del sustrato a una compensación de presión estando abierta la segunda válvula, el sustrato fluye al segundo reactor. Otras formas de realización también pueden prever bombear el sustrato del dispositivo de aireación al segundo reactor por medio de una bomba adicional.

En algunas formas de realización, el segundo reactor puede comprender un conducto de alimentación adicional. A través de este conducto de alimentación se pueden conducir por ejemplo sustancias de fácil fermentación directamente al segundo reactor para optimizar allí el proceso de fermentación que se produce allí y/o regular una proporción entre sustancias de difícil fermentación y sustancias de fácil fermentación. De esta manera, se puede favorecer una regulación del valor pH al rango ácido. Por tanto, una adición de sustancias químicas normalmente es innecesaria.

Además, la instalación de biogás puede presentar un dispositivo de drenaje para la separación de un líquido de proceso durante el drenaje de residuos de fermentación. Para la evacuación de los residuos de fermentación, el primer reactor puede estar unido al dispositivo de drenaje a través de un conducto de evacuación. La evacuación puede estar realizada por ejemplo como tubería o como tubo flexible. También es posible el bombeo de los residuos de fermentación a un depósito adicional.

Los residuos de fermentación son los residuos de sustrato que tras una fermentación en el primer reactor y/o en el segundo reactor sustancialmente no pueden seguir siendo desintegrados por las bacterias mesófilas y/o hipotermófilas.

La instalación de biogás puede presentar un dispositivo mezclador preconectado al primer reactor y unido al primer reactor mediante un conducto de alimentación. De esta manera, el sustrato puede mezclarse con un líquido de proceso de tal forma que se puede ajustar un contenido de sustancia seca del sustrato que puede alimentarse al primer reactor a través del conducto de alimentación. Un contenido de sustancia seca asciende normalmente a como mínimo 8 %, preferentemente como mínimo 12 % y como máximo 30 %, preferentemente como máximo 20 %. Además, la instalación de biogás puede comprender un dispositivo de retorno para retornar el líquido de proceso al primer reactor. El líquido de proceso puede conducirse al dispositivo mezclador y/o al primer reactor y por tanto se puede mezclar con el sustrato que ha de fermentarse. El líquido de proceso puede resultar conveniente en cuanto a que licua y homogeneiza sustratos de difícil fermentación, de manera que las bacterias llegan mejor al sustrato y se favorece la fermentación.

El conducto de unión entre el primer reactor y el segundo reactor presenta un dispositivo de aireación. Adicionalmente, el equipo de circulación también puede comprender dos conductos de unión entre el primer reactor y el segundo reactor. Así, se puede generar una circulación del sustrato entre el primer y el segundo reactor. El sustrato que no puede ser metabolizado o puede ser metabolizado sólo difícilmente por las bacterias mesófilas, sigue siendo desintegrado en el segundo reactor. En el segundo reactor se sigue desintegrando especialmente sustrato que contiene lignocelulosa. Después de una desintegración del sustrato que preferentemente contiene lignocelulosa, se puede conducir de retorno al primer reactor a través de los conductos de unión, para fermentarse allí al menos en parte formando metano. Este ciclo puede repetirse un número discrecional de veces.

Para el transporte del sustrato, el equipo de circulación puede comprender una bomba, por ejemplo, una bomba excéntrica de tornillo sinfín. Evidentemente, también son posibles otros sistemas de bomba que sean adecuados para transportar biomasa generalmente viscosa, por ejemplo, bombas de émbolo giratorio. Para el manejo con lodo de paja de arroz resulta especialmente adecuado el uso de bombas peristálticas.

La instalación de biogás puede presentar normalmente al menos un equipo agitador y/o un equipo de bombeo para mezclar el sustrato en el primer reactor y/o el segundo reactor. El equipo agitador puede consistir en mecanismos agitadores, por ejemplo, mecanismos agitadores centrales, mecanismos agitadores de motor sumergible y/o mecanismos agitadores de paletas. Evidentemente, también se pueden usar otros mecanismos agitadores. De manera ventajosa, es posible mejorar las propiedades de flujo del sustrato o de la biomasa, garantizar una composición sustancialmente constante de la biomasa y por tanto mejorar un proceso de fermentación.

El primer reactor puede calentarse de tal forma que se pueda ajustar una temperatura de como mínimo 30 °C, preferentemente como mínimo 35 °C, de forma especialmente preferible como mínimo 40 °C. El segundo reactor puede calentarse de tal forma que se puede ajustar una temperatura de como mínimo 55 °C, preferentemente como mínimo 60 °C, de forma especialmente preferible como mínimo 65 °C.

En otra forma de realización, la instalación de biogás puede comprender un equipo de tratamiento previo para la trituración de fibras de sustrato. Las fibras de sustrato pueden cortarse a una longitud de fibras ajustable, preferentemente de como máximo 40 mm, de manera que se puede conseguir una mezcla sustancialmente homogénea del sustrato mediante mecanismos de bombeo o mecanismos agitadores y actuar contra el enrollamiento de fibras de sustrato alrededor de palas agitadoras o una obstrucción de tuberías o bombas por aglutinaciones o nudos de fibras de sustrato.

El segundo reactor presenta preferentemente bacterias seleccionadas de entre el grupo de clostridium spp., preferentemente clostridium aceticum, clostridium thermocellum y/o clostridium stecorarium y/o thermotogaceae. La inoculación del reactor hipertermófilo se produce en algunas formas de realización antes de una primera alimentación de sustratos. Un cultivo de inoculación puede tomarse (llamado lodo de inoculación) por ejemplo de reactores hipertermófilos existentes, según la reivindicación descrita. Además, es posible el cultivo de microorganismos hipertermófilos mediante la adición de sustancias residuales animales y/o biomasas de procesos de degradación anaeróbicos / aeróbicos (putrefacción, compostaje, procesos de respiración) en el segundo reactor. La instalación de biogás descrita puede usarse para la realización del procedimiento descrito. Las características escritas con respeto al procedimiento pueden ser válidas de manera correspondiente para la instalación de biogás y las características descritas con respecto a la instalación de biogás pueden ser válidas además para el procedimiento.

En sistemas de tratamiento biológico existentes no se puede descartar que sustancias de fácil fermentación (hexosas, almidón etc.) se metabolicen formando dióxido de carbono (de forma aeróbica) por procesos de respiración. A través de estas sustancias podría producirse la ausencia de la formación de metano rico en energía. Esto se evita en el procedimiento descrito, ya que las masas frescas inicialmente son digeridas / fermentadas de forma anaeróbica. No se producen procesos de respiración aeróbicos. Tan sólo las sustancias difícilmente degradables (preferentemente celulosas, hemicelulosas, lignocelulosas y/o ceras) están a disposición de los microorganismos específicos para la formación de ácidos orgánicos y alcoholes. El suministro de la cantidad de calor es equivalente a los sistemas existentes. No se produce un suministro de energía reforzado.

A continuación, se describen en detalle ejemplos de realización de la presente invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas. Muestran:

la figura 1a: una representación esquemática de una instalación de biogás,

la figura 1b: una representación esquemática de la instalación de biogás con un dispositivo de aireación, la figura 2a: una representación esquemática de una instalación de biogás con una disposición de válvula de 2 vías,

la figura 2b: una representación esquemática de una instalación de biogás con una disposición de válvula de 2 vías y con un dispositivo de aireación,

la figura 3: una representación esquemática de una instalación de biogás con un dispositivo de drenaje, la figura 4: una representación esquemática de una instalación de biogás con un dispositivo mezclador, con un dispositivo triturador y con un dispositivo de drenaje, y

la figura 5: una representación esquemática de un procedimiento para producir biogás.

La figura 1a muestra una instalación de biogás con un primer reactor 1 y un segundo reactor 2. Un contenido del primer reactor 1 contiene bacterias mesófilas y un sustrato que contiene celulosa y lignocelulosa, comprendiendo el sustrato que contiene celulosa y lignocelulosa paja de arroz, ensilaje de paja de arroz y estiércol líquido de gallinas. En el ejemplo representado, el primer reactor 1 puede calentarse y el contenido del primer reactor 1 se calentó a una temperatura de 33 °C. Sin embargo, también es posible que el primer reactor 1 no se pueda calentar y que por un proceso de fermentación exotérmico por las bacterias mesófilas contenidas se ajuste una temperatura entre 20 °C y 40 °C. Las bacterias mesófilas - tratándose en el presente ejemplo de arqueas, en concreto, methanobacteriales, methanococcales, methanomicrobiales y methanocellales - son adecuadas para fabricar metano a partir de ácido acético. El sustrato contenido en el primer reactor 1 permanece por ejemplo 30 días en el primer reactor 1 y se fermenta al menos parcialmente, de manera que se origina metano. Una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado se conduce del primer reactor 1 al segundo reactor 2 por medio de un equipo de circulación 3. El equipo de circulación presenta un primer conducto de unión 4 y un segundo conducto de unión 5, siendo transportado el sustrato al menos parcialmente fermentado, a través del primer conducto de unión 4, del primer reactor 1 al segundo reactor 2, con un dispositivo de bombeo, preferentemente una bomba excéntrica de tornillo sinfín. El segundo reactor 2 puede calentarse y un contenido del segundo reactor 2 se calienta a una temperatura de 68 °C. En el segundo reactor 2 están bacterias hipertermófilas, por ejemplo clostridios, preferentemente clostridium aceticum, clostridium thermocellum y clostridium stecorarium. Las bacterias hipertermófilas resultan adecuadas para seguir desintegrando el sustrato al menos parcialmente fermentado, especialmente la lignocelulosa. Para ello, el sustrato al menos parcialmente fermentado permanece en el segundo reactor durante un tiempo de permanencia de como máximo 3 días. Allí, la lignocelulosa es transformada por las bacterias hipertermófilas, al menos parcialmente, en acetato, butanol y otros ácidos / alcoholes. El sustrato con ácido acético se retorna a través del segundo conducto de unión 5, por medio de una bomba excéntrica de tornillo sinfín, del segundo reactor 2 al primer reactor 1. En el primer reactor 1, el sustrato con ácido acético es incubado por las bacterias mesófilas y se origina biogás que contiene metano, con como mínimo 50 % de metano, 30 % de dióxido de carbono, 1.000 ppm de sulfuro de hidrógeno y gases traza. El biogás se aísla y se evacúa del primer reactor 1 al menos parcialmente a través de un dispositivo de evacuación 6, es decir, un conducto de gas. El sustrato al menos parcialmente fermentado que queda se vuelve a conducir, a través del primer conducto de unión 4, al segundo reactor 2 y allí se sigue desintegrando de nuevo para volver a conducirse, al cabo de otro tiempo de permanencia de 5 días en el segundo reactor 2, al primer reactor 1 a través del segundo conducto de unión 5 y volver a incubarse allí. Por tanto, el sustrato se sigue fermentando y desintegrando tanto en el primer reactor 1 como en el segundo reactor 2. Esta circulación de sustrato se repite tantas veces hasta que del sustrato ya no se pueda obtener casi ningún o sólo poco biogás.

Durante la transferencia del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor 1 al segundo reactor 2 muere la mayor parte de las bacterias mesófilas en el segundo reactor 2 a causa de la temperatura de funcionamiento más alta. Las bacterias hipertermófilas mueren al menos en su mayor parte en el primer reactor 1, cuando a través del segundo conducto de unión 5 llegan al primer reactor 1, por la baja temperatura. Tanto el primer reactor 1 como el segundo reactor 2 presentan respectivamente un equipo agitador 7, 8, mezclando continuamente el primer equipo agitador 7 el contenido del primer reactor 1, y el segundo equipo agitador 8 el contenido del segundo reactor 2, para evitar deposiciones y aglutinaciones del contenido y mantener el sustrato a ser posible en un estado homogéneo. En el primer reactor, el sustrato es en partes en peso veinte veces más grande que el sustrato en el segundo reactor 2.

La figura 1b muestra una instalación de biogás que corresponde sustancialmente a la figura 1a, pero que en el conducto de unión 4 comprende un dispositivo de aireación 28. Delante del equipo de aireación 28 están dispuestas una válvula de una sola vía 29 y una bomba 30. Detrás del equipo de aireación está dispuesta otra válvula de una sola vía 30'. La bomba 30 bombea sustrato del primer reactor 1 al dispositivo de aireación, estando abierta la válvula 29 y cerrada la válvula 31. Entonces, se cierra la válvula 29. El sustrato se airea en el equipo de aireación. Durante ello, las bacterias principalmente anaeróbicas del primer reactor 1, que se encuentran en el sustrato que ha de ser aireado, se inactivan o mueren por la aireación. A continuación, se abre la válvula 31 y el sustrato aireado se conduce al segundo reactor 2. Así, se puede conseguir que se evite en su mayor parte una fermentación con formación de metano en el segundo reactor 2. En el conducto de retorno del sustrato del segundo reactor 2 al primer reactor 1 no se precisa ninguna aireación, ya que las bacterias del reactor 2, principalmente clostridios, se inactivan o mueren a causa de la diferencia de temperatura en el segundo reactor 2 y el primer reactor 1, ya que estas bacterias necesitan temperaturas más altas, correspondientes a las temperaturas en el reactor 2, para sobrevivir y/o para metabolizar activamente.

Además, el segundo reactor de la figura 1b presenta un conducto de alimentación 32. A través de este conducto de alimentación 32, al contenido del reactor se pueden añadir mezclando sustancias de fácil fermentación.

La figura 2a muestra otro ejemplo de realización de la instalación de biogás de la figura 1, en el que en el primer reactor se usa un dispositivo de bombeo 9 para mezclar el sustrato. El contenido del segundo reactor 2 se agita con un equipo agitador 8. Una combinación del equipo agitador 8 y/o del equipo de bombeo 9 en el primer reactor 1 y/o el segundo reactor 2, por tanto, igualmente es posible para una instalación de biogás. Esto puede resultar ventajoso especialmente para poder hacer, conforme al tamaño de los reactores, una elección lo más económica y ahorradora de espacio posible con respecto a un dispositivo mezclador, a fin de reducir los costes de fabricación y de explotación de la instalación de biogás.

La figura 2b muestra una instalación de biogás que corresponde sustancialmente a la instalación de biogás de la figura 2a, pero que presenta un conducto de unión 10 que adicionalmente está provisto de un equipo de aireación 28, dos bombas 30 y dos válvulas de dos vías 11. Mediante una apertura y un cierre correspondientes de las válvulas 11, el sustrato puede bombearse del primer reactor al segundo reactor 2 y viceversa. Preferentemente, el sustrato se airea al ser bombeado del primer reactor 1 al segundo reactor 2. Para ello, en primer lugar, se cierra la válvula de dos vías 11 (análoga a la válvula de una sola vía en la figura 1b) detrás del equipo de circulación y el sustrato se bombea del primer reactor 1 al equipo de aireación 28. Entonces, se cierra la válvula de dos vías 11 y se airea el sustrato en el equipo de aireación 28. Después del proceso de aireación, se abre la válvula de dos vías 11' detrás del dispositivo de aireación, de manera que el sustrato se conduce al segundo reactor 2. Para hacer posible la circulación, las válvulas de dos vías 11 y 11' pueden abrirse para retornar el sustrato del segundo reactor 2 al primer reactor 1, de tal forma que el sustrato pueda fluir sólo en sentido hacia el primer reactor 1. Para ello, está prevista una bomba 30' adicional que bombea el sustrato del segundo reactor 2 al primer reactor 1. Para que el sustrato no se vuelva a airear, dado el caso, innecesariamente durante el retorno al primer reactor, además puede estar una válvula adicional en el equipo de aireación 28, que está cerrada durante el retorno. Una válvula de este tipo no está representada en la figura 2b, aunque se puede añadir opcionalmente.

En el primer reactor 1, el contenido tiene un valor pH de 7. En el segundo reactor 2, el contenido tiene un valor pH de 5,5. Estos valores pH corresponden a los valores pH preferibles de las bacterias introducidas en el primer o segundo reactor 1, 2.

El primer reactor 1 presenta en la figura 2 un volumen que es veinte veces más grande que el volumen del segundo reactor 2. En las figuras 2a y 2b, los dos reactores 1, 2 están unidos a un equipo de circulación 3, presentando el celulosa un equipo de transporte en forma de una bomba excéntrica de tornillo sinfín y un conducto de unión 10 con una disposición de válvula de dos vías 11. A través de esta disposición de válvula de dos vías 11 se puede ajustar un sentido de paso del sustrato, de manera que a través del conducto de unión 10 se puede producir tanto un flujo de sustrato del primer reactor 1 al segundo reactor 2, como un flujo de sustrato del segundo reactor 2 al primer reactor 1. A través del dispositivo de evacuación 6 se puede aislar y evacuar biogás, tal como ya se ha mostrado y descrito en las figuras 1a y 1b. Evidentemente, la circulación de sustrato también se puede generar por la evacuación de sustrato de uno de los reactores, por ejemplo del reactor 1, a un depósito intermedio, y del depósito intermedio al otro reactor, por ejemplo el segundo reactor 2. Esto puede resultar ventajoso por ejemplo si el primer reactor y el segundo reactor deben instalarse en lugares situados a una gran distancia entre sí y se necesitarían conductos de unión largos de extensión compleja.

Además, el tiempo de permanencia puede estar relacionado de manera efectiva con los volúmenes de reactor. El primer reactor presenta un volumen que es veinte veces más grande que el volumen en el segundo reactor. Por lo tanto, sólo una cantidad parcial del sustrato en el primer reactor puede caber en el segundo reactor, en este ejemplo una vigésima parte. Dado que el contenido total del primer reactor debe pasar por el segundo reactor e incubar respectivamente 2,5 días en el segundo reactor, resulta un primer tiempo de permanencia en el primer reactor de 50 días. Al cabo de 50 días, del sustrato se evacúa por ejemplo como resto de fermentación del procedimiento.

La figura 3 muestra una instalación de biogás con un dispositivo de drenaje 12 que está unido al primer reactor 1 a través de un conducto de evacuación 13. Los residuos de fermentación originados después de una fermentación en el primer reactor 1 y/o el segundo reactor 2 se evacúan a través del conducto de evacuación 13 al dispositivo de drenaje 12. Esto puede realizarse por ejemplo en un momento cuando disminuye la producción de biogás y cuando un flujo volumétrico en el dispositivo de evacuación 6 pasa por debajo de un valor límite medido, por ejemplo, en caso de una disminución de entre 5 y 10 % por debajo del valor del flujo volumétrico anterior de biogás [Nm3/h]. Evidentemente, los residuos de fermentación pueden evacuarse del primer reactor al dispositivo de drenaje también al cabo de un primer tiempo de permanencia, aquí por ejemplo al cabo de 50 días. Allí, de los residuos de fermentación se separa un líquido de proceso. Este líquido de proceso se conduce, a través de un dispositivo de retorno 14, al menos parcialmente al primer reactor y allí es mezclado con el sustrato por el equipo agitador 7. De esta manera, se puede actuar contra la formación de grumos del sustrato y ajustar una proporción de un contenido en líquido del sustrato con respecto a un contenido en sustancia seca del sustrato. Un resto de fermentación sólido, es decir, el resto de fermentación drenado, además puede evacuarse del dispositivo de drenaje 12 a través de un elemento de evacuación 15, por ejemplo, un tubo. En el segundo reactor 2, el sustrato al menos parcialmente fermentado se mezcla preferentemente de forma continua, por medio de un equipo de bomba 16.

En la figura 4 está representada una instalación de biogás que corresponde a la estructura de la instalación de biogás en la figura 2a, pero que comprende elementos adicionales, por ejemplo, un dispositivo de drenaje 12, un dispositivo mezclador 16, un equipo de tratamiento previo 17 y un dispositivo de evacuación de ácido silícico 20. Antes de suministrarse sustrato al primer reactor 1, se tritura en el equipo de tratamiento previo 17 a una longitud de fibras de preferentemente 40 mm, preferentemente mediante un mecanismo de corte mecánico o un molino de corte. Las fibras de sustrato trituradas, especialmente paja de arroz y paja de trigo, trituradas a 40 mm, se conducen al dispositivo mezclador a través de un tubo 18. Al igual que en la figura 3, está previsto un dispositivo de drenaje 12. Este conduce el líquido de proceso separado, a través de un dispositivo de retorno 14, al dispositivo mezclador 16. En el dispositivo mezclador 16 se mezclan el sustrato triturado y el líquido de proceso, antes de transferirlo, a través de un conducto de alimentación 19, al primer reactor 1. En el ejemplo representado, al dispositivo mezclador 16 no se suministran sustancias adicionales además del sustrato triturado y del líquido de proceso. Evidentemente, al dispositivo mezclador 16 se pueden suministrar, a través de conductos adicionales, componentes de sustrato adicionales, por ejemplo, estiércol líquido.

La instalación de biogás representada en la figura 4 presenta además un dispositivo de evacuación de ácido silícico 20. Este preferentemente está montado en el segundo reactor 2, de tal forma que el ácido silícico que es originado parcialmente por clostridios durante la desintegración de lignocelulosa y que puede actuar inhibiendo la formación de metano, es esclusado 1 antes de la transferencia del sustrato al primer reactor 1.Así, se puede conseguir que la formación de metano no sea inhibida por las bacterias mesófilas en el primer reactor 1 y, por tanto, se puede mejorar el grado de eficacia de la instalación de biogás. El ácido silícico puede separarse por ejemplo mediante un filtro de silicato y de ácido silícico, o bien, separarse de la fase líquida mediante reacciones de precipitación previas y, a continuación, evacuarse del segundo reactor 2.

La figura 5 describe esquemáticamente una secuencia a modo de ejemplo del procedimiento para generar biogás con la instalación de biogás descrita. En primer lugar, en un primer paso 21 se fermenta un sustrato que contiene celulosa, conteniendo paja de arroz y estiércol líquido vacuno, se fermenta al menos parcialmente en un primer reactor durante un primer tiempo de permanencia de 30 días y a una temperatura de 30 a 48 °C. En el primer reactor están contenidas bacterias mesófilas que pueden metabolizar el sustrato.

En un segundo paso 22, el sustrato al menos parcialmente fermentado se evacúa del primer reactor a un segundo reactor. El segundo reactor está calentado y su contenido tiene una temperatura de 68 °C.En el segundo reactor están bacterias hipertermófilas que son adecuadas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado, especialmente la lignocelulosa.

En un tercer paso 23, los hipertermófilos incuban el sustrato al menos parcialmente fermentado durante un tiempo de permanencia de preferentemente 2 días en el segundo reactor. Durante ello, las bacterias hipertermófilas, especialmente bacterias del género de los clostridios desintegran el sustrato al menos parcialmente desintegrado, especialmente celulosa y lignocelulosa, y producen además de otros ácidos orgánicos, preferentemente ácido acético.

En un cuarto paso 24, el sustrato al menos parcialmente desintegrado se retorna del segundo reactor al primer reactor.

En un quinto paso 25, el sustrato al menos parcialmente fermentado vuelve a ser incubado por las bacterias mesófilas en el primer reactor. Durante ello se origina al menos parcialmente biogás que contiene metano y que en un sexto paso 26 se aísla y se evacúa del primer reactor.

El sustrato al menos parcialmente desintegrado que queda se vuelve a transferir al segundo reactor y se repiten los pasos 22, 23, 24, 25 y 26 descritos, de manera que resulta un bucle 27. Los pasos 22 a 26 se repiten hasta que ya casi no se pueda extraer ningún biogás que contenga metano, por ejemplo, después de una triple repetición. Después, se pueden evacuar residuos de fermentación, la instalación de biogás puede volver a alimentarse de sustrato y el procedimiento puede volver a realizarse.

Evidentemente, los pasos - especialmente una incubación en el primer y el segundo reactor, es decir, los pasos 21, 23 y 25 - parcialmente también pueden ejecutarse al mismo tiempo. Además, también es posible que de manera continua se produzca una circulación de sustrato, se incube sustrato y se evacúe metano. Todos los pasos 21 a 26, por tanto, también pueden ejecutarse en intervalos de tiempo (llamado procedimiento “fed batch” (lote alimentado)). A continuación, en un ejemplo de realización se explica en detalle una composición típica del sustrato en el primer reactor y en el segundo reactor en el transcurso del procedimiento. Evidentemente, es posible desviarse de las indicaciones hechas a continuación en otros ejemplos de realización.

A continuación, se explica en detalle otro ejemplo de realización. Para observar el procedimiento se parte de un servicio estacionario. Al principio del procedimiento, el primer reactor presenta por ejemplo un contenido de 3.000 m3 de sustrato. En este se encuentran los microorganismos necesarios para el proceso de biogás. A través de una fuente de calor se garantizan temperaturas de entre 40 y 48 °C. Por medio de mecanismos agitadores y/o dispositivos mezcladores, el sustrato se mezcla en intervalos de tiempo y el biogás se expulsa de la fase líquida. Además, se produce una redistribución de la biomasa / suspensión de bacterias.

Al primer reactor se suministran a diario 100 t de sustratos. El suministro de sustrato puede ascender a 14 t por alimentación. Esto a su vez, se compone de 60 a 65 % en masa seca [%MS] de paja de arroz en la mezcla (con un contenido en agua de 15 %), 20 a 25 %MS de estiércol líquido vacuno, 10 a 20 %MS de producto recirculado con bacterias mesófilas. Al segundo reactor se suministró al principio del período de tiempo de observación, después de una primera transferencia, aprox. 100 t de sustrato / lodo con una parte de masa seca de 10 a 12 %MS. La parte de masa seca puede estar compuesta por ejemplo de 60 a 65 %MS de paja de arroz, 25 %MS en peso de estiércol líquido vacuno. La parte restante se compone de sustancias residuales de flujos de cortocircuito, así como de sustancias inorgánicas, cenizas, así como otras sustancias ajenas. Deduciendo las 10t de sustancias sólidas, el flujo afluente contiene hasta 90t de agua.

Durante un tiempo de permanencia de por ejemplo 3 días en el segundo reactor 2, hasta 30 % de la masa seca se disocia en componentes solubles. Esto se realiza normalmente por el rendimiento de los microorganismos hipertermófilos que se pueden cultivar a entre 55 y 80 °C. La temperatura óptima depende de la adición de los sustratos y su composición. Durante el proceso de desintegración pueden originarse hasta 10g/l de ácido acético que se reconduce al primer reactor 1 y se transforma en biogás.

La solicitud comprende, entre otros, los siguientes aspectos:

1. Procedimiento para producir biogás, que comprende los siguientes pasos:

la fermentación al menos parcial de un sustrato que contiene celulosa, durante un primer tiempo de permanencia a una temperatura comprendida en el intervalo de 20 °C a 50 °C en un primer reactor (1) con bacterias mesófilas que son adecuadas para producir a partir de ácido acético metano,

la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), con bacterias hipertermófilas, siendo adecuadas las bacterias hipertermófilas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado,

la incubación del sustrato al menos parcialmente fermentado, a una temperatura comprendida en el intervalo de 55 °C a 80 °C durante un segundo tiempo de permanencia, formándose al menos parcialmente ácido acético,

el retorno del sustrato con ácido acético del segundo reactor (2) al primer reactor (1),

la incubación del sustrato con ácido acético en el primer reactor (1),

el aislamiento de biogás, que contiene metano, del primer reactor (1).

2. Procedimiento según el aspecto 1, en el que, en el primer reactor (1) y/o en el segundo reactor (2), el sustrato se mezcla por medio de un equipo de bombeo (9, 16) y/o de un equipo agitador (7, 8).

3. Procedimiento según el aspecto 1, en el que los pasos de

la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor (1) a un segundo reactor calentable (2), con bacterias hipertermófilas, siendo las bacterias hipertermófilas adecuadas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado, y

el retorno del sustrato con ácido acético del segundo reactor (2) al primer reactor (1),

se repiten al menos una vez.

4. Procedimiento según el aspecto 1, 2 o 3, en el que residuos de fermentación que quedan en el primer reactor (1) y que, después de una fermentación en el primer reactor (1), no siguen siendo desintegrados sustancialmente por las bacterias mesófilas, se evacúan del primer reactor (1) y se drenan, y en donde un líquido de proceso separado correspondientemente vuelve a suministrarse al menos parcialmente al primer reactor (1) a través de un conducto de evacuación (14).

5. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 4, caracterizado por que las bacterias mesófilas están elegidas de entre el grupo de las arqueas, preferentemente: methanobacteriales, methanococcales, methanomicrobiales, methanocellales, methanosarcinales, methanoscarcina, methanococcus, methanobacterium, methanobrevibacter, methanothermobacter y/o de los methanopirales.

6. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 5, caracterizado por que las bacterias hipertermófilas están seleccionadas de entre el grupo de los clostridios, preferentemente: clostridium aceticum, clostridium thermocellum y/o clostridium stecorarium.

7. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 6, caracterizado por que se calienta también el contenido del primer reactor (1).

8. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 7, en el que se esclusa ácido silícico del segundo reactor (2) para reducir la concentración de ácido silícico que inhibe la formación de metano.

9. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 8, caracterizado por que el sustrato que contiene celulosa contiene lignocelulosa.

10. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 9, caracterizado por que el sustrato que contiene celulosa comprende paja, especialmente paja de arroz.

11. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 10, caracterizado por que un valor pH del sustrato en el primer reactor (1) se sitúa en el rango entre pH neutro y ligeramente básico, y el valor pH preferentemente asciende a como mínimo 6,6, de forma especialmente como mínimo 6,8, y/o como máximo 8,3, de forma especialmente preferible como máximo 8,0.

12. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 11, caracterizado por que un valor pH del sustrato en el segundo reactor (2) asciende a como mínimo 4,5 y/o como máximo 6,5.

13. Procedimiento según uno de los aspectos 1 a 12, en el que las fibras del sustrato se trituran antes de la introducción del sustrato en el primer reactor (1).

14. Instalación de biogás para producir biogás, que contiene:

- un primer reactor (1), que contiene bacterias mesófilas adecuadas para la fabricación de metano a partir de ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono,

- un segundo reactor calentable (2), que contiene bacterias hipertermófilas adecuadas para la fermentación preferentemente anaeróbica de un sustrato, que contiene celulosa, formando ácido acético,

- un equipo de circulación (3) para producir un circuito de biomasa entre el primer reactor (1) y el segundo reactor (2), comprendiendo el equipo de circulación (3) un equipo de transporte y al menos un conducto de unión (4, 5), que une el primer reactor (1) y el segundo reactor (2), estando concebido el equipo de transporte para transportar sustrato por el conducto de unión (4, 5), tanto del primer reactor (1) al segundo reactor (2) como del segundo reactor (2) al primer reactor (1).

15. Instalación de biogás según el aspecto 14, caracterizada por un dispositivo de drenaje (12) para separar un líquido de proceso durante el drenaje de residuos de fermentación que, después de la fermentación en el primer reactor (1), no pueden seguir siendo desintegrados sustancialmente por las bacterias mesófilas, estando unido el primer reactor (1), para la evacuación de los residuos de fermentación, al dispositivo de drenaje (12) a través de un conducto de evacuación (13).

16. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 o 15, caracterizada por un dispositivo mezclador (16), preconectado al primer reactor (1) y unido al primer reactor (1) por un conducto de alimentación (19), para mezclar sustrato con un líquido de proceso de tal forma que se puede ajustar un contenido de sustancia seca del sustrato que puede suministrarse al primer reactor (1) por el conducto de alimentación (19).

17. Instalación de biogás según el aspecto 14 o 15, en cuanto a su retrorreferencia al aspecto 13, caracterizada por un dispositivo de retorno (14) para retornar el líquido de proceso al primer reactor (1).

18. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 17, caracterizada por que el conducto de unión (4, 5) presenta una válvula de dos vías (11) y/o por que el equipo de circulación presenta dos conductos de unión (4, 5) entre el primer reactor (1) y el segundo reactor (2).

19. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 18, caracterizada por que el equipo de circulación (3) comprende una bomba para el transporte de sustrato.

20. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 19, caracterizada por al menos un equipo agitador (7, 8) y/o un equipo de bombeo (9, 16) para mezclar el sustrato en el primer reactor (1) y/o el segundo reactor (2).

21. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 20, caracterizada por que el primer reactor (1) puede calentarse de tal forma que se puede ajustar una temperatura de como mínimo 30 °C,

y/o

por que el segundo reactor (2) puede calentarse de tal forma que se puede ajustar una temperatura de como mínimo 65 °C.

22. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 21, que comprende un equipo de tratamiento previo (17) para triturar fibras de sustrato.

23. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 22, caracterizada por que el conducto de unión (4) para transportar sustrato del primer reactor (1) al segundo reactor (2) comprende un equipo de aireación (28).

24. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 22, caracterizada por que el segundo reactor (2) comprende un conducto de alimentación (32) para alimentar sustancias de fácil fermentación.

25. Instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 24, caracterizada por que el segundo reactor (2) contiene bacterias seleccionadas de entre el grupo de los clostridios, preferentemente del grupo clostridium aceticum, clostridium thermocellum y/o clostridium stecorarium.

26. Uso de una instalación de biogás según uno de los aspectos 14 a 25, para la realización de un procedimiento según uno de los aspectos 1 a 11.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para producir biogás, que comprende los siguientes pasos:

la fermentación, al menos parcial, de un sustrato que contiene celulosa, durante un primer tiempo de permanencia a una temperatura comprendida en el intervalo de 20 °C a 55 °C en un primer reactor (1) con bacterias mesófilas, que son adecuadas para producir metano a partir de ácido acético,

la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), con bacterias hipertermófilas, siendo adecuadas las bacterias hipertermófilas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado,

la incubación del sustrato al menos parcialmente fermentado, a una temperatura comprendida en el intervalo de 55 °C a 80 °C durante un segundo tiempo de permanencia, formándose al menos parcialmente ácido acético, el retorno del sustrato con ácido acético del segundo reactor (2) al primer reactor (1),

la incubación del sustrato con ácido acético en el primer reactor (1),

el aislamiento de biogás, que contiene metano, del primer reactor (1),

comprendiendo el paso de la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), la transferencia de la parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un dispositivo de aireación para la inactivación de bacterias anaeróbicas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el sustrato, que contiene celulosa, presenta una concentración de nitrógeno de amonio de como mínimo 100 mg de NH4-N/l, preferentemente de como mínimo 150 mg de NH4-N/l, de forma especialmente preferible de como mínimo 200 mg de NH4-N/l y/o como máximo de 1 g de NH4-N/l, preferentemente como máximo de 700 mg de NH4-N/l, de forma especialmente preferible de 400 mg de NH4-N/l.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, en el que los pasos de la transferencia de una parte del sustrato al menos parcialmente fermentado del primer reactor a un segundo reactor calentable (2), con bacterias hipertermófilas, siendo adecuadas las bacterias hipertermófilas para desintegrar el sustrato al menos parcialmente fermentado, y el retorno del sustrato con ácido acético del segundo reactor (2) al primer reactor (1), se repiten al menos una vez.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que residuos de fermentación, que quedan en el primer reactor (1) y que después de una fermentación en el primer reactor (1) no siguen siendo desintegrados sustancialmente por las bacterias mesófilas, se evacúan del primer reactor (1) y se drenan, y en donde un líquido de proceso separado correspondiente vuelve a suministrarse al menos parcialmente al primer reactor (1) a través de un conducto de evacuación (14).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las bacterias mesófilas están seleccionadas de entre el grupo de las arqueas, preferentemente: methanobacteriales, methanococcales, methanomicrobiales, methanocellales, methanosarcinales, methanoscarcina, methanococcus, methanobacterium, methanobrevibacter, methanothermobacter y/o methanopirales, y/o por que las bacterias hipertermófilas están seleccionadas de entre el grupo de las clostridiaceae y/o de las termotogaceae, preferentemente: Clostridium aceticum, Clostridium thermocellum, Clostridium y/o Clostridium stecorarium y/o Thermotogales.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el sustrato, que contiene celulosa, contiene lignocelulosa y/o por que el sustrato, que contiene lignocelulosa, comprende paja, especialmente paja de arroz.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que un valor pH del sustrato en el primer reactor (1) se sitúa en el rango entre neutro y ligeramente básico y/o un valor pH del sustrato en el segundo reactor (2) asciende a como mínimo 4,0 y/o como máximo a 6,5.

8. Instalación de biogás para producir biogás, que contiene:

- un primer reactor (1), que contiene bacterias mesófilas adecuadas para la fabricación de metano a partir de ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono,

- un segundo reactor calentable (2), que contiene bacterias hipertermófilas adecuadas para la fermentación preferentemente anaeróbica de sustratos que contienen celulosa, formando ácido acético,

- un equipo de circulación (3), para producir un circuito de biomasa entre el primer reactor (1) y el segundo reactor (2), comprendiendo el equipo de circulación (3) un equipo de transporte y al menos un conducto de unión (4, 5), que une el primer reactor (1) y el segundo reactor (2), estando concebido el equipo de transporte para transportar sustrato por el conducto de unión (4, 5), tanto del primer reactor (1) al segundo reactor (2) como del segundo reactor (2) al primer reactor (1),

caracterizada por que

el conducto de unión (4) para transportar sustrato del primer reactor (1) al segundo reactor (2) comprende un equipo de aireación (28).

9. Instalación de biogás según la reivindicación 8, caracterizada por un dispositivo de drenaje (12) para separar un líquido de proceso durante el drenaje de residuos de fermentación, que después de la fermentación en el primer reactor (1) no pueden seguir siendo desintegrados sustancialmente por las bacterias mesófilas, estando unido el primer reactor (1), para la evacuación de los residuos de fermentación, al dispositivo de drenaje (12) a través de un conducto de evacuación (13).

10. Instalación de biogás según una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizada por un dispositivo mezclador (16), conectado por delante del primer reactor (1), y unido al primer reactor (1) por un conducto de alimentación (19), para mezclar sustrato con un líquido de proceso de tal forma que se puede ajustar el contenido de sustancia seca del sustrato que puede suministrarse al primer reactor (1) por el conducto de alimentación (19).

11. Instalación de biogás según las reivindicaciones 9 o 10, en cuanto a su retrorreferencia a la reivindicación 9, caracterizada por un dispositivo de retorno (14) para retornar el líquido de proceso al primer reactor (1).

12. Instalación de biogás según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada por que el conducto de unión (4, 5) presenta una válvula de dos vías (11) y/o por que el equipo de circulación comprende dos conductos de unión (4, 5) entre el primer reactor (1) y el segundo reactor (2).

13. Instalación de biogás según una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizada por que el equipo de circulación (3) comprende al menos una bomba para el transporte de sustrato y/o por que la instalación de biogás comprende al menos un equipo agitador (7, 8) y/o un equipo de bombeo (9, 16), para mezclar el sustrato en el primer reactor (1) y/o el segundo reactor (2).

14. Instalación de biogás según una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizada por que el primer reactor (1) puede calentarse de tal forma que se puede ajustar una temperatura de como mínimo 30 °C y/o por que el segundo reactor (2) puede calentarse de tal forma que se puede ajustar una temperatura de como mínimo 65 °C.

15. Uso de una instalación de biogás según una de las reivindicaciones 8 a 14, para la realización de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7.