ES2977138A1 - Method and system for the production and purification of volatile fatty acids from an organic waste source - Google Patents
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Abstract
Un método (100) para la producción y purificación de ácidos grasos volátiles (AGVs) que comprende la fermentación (10) de residuos orgánicos (1) bajo condiciones anaeróbicas y de acidez controlada para producir un primer fermentado (12); someter al menos a una parte de la fracción líquida (23) del primer fermentado (12) primero a al menos una operación de filtración (30) y después a al menos una operación de concentración (40), para obtener respectivas corrientes de rechazo (30b, 40b) y de concentrado de AGVs (40a); y la recuperación y purificación de los AGVs de la corriente de concentrado de AGVs (40a) mediante una operación de extracción líquido-líquido (50) seguida de al menos una operación de destilación por etapas (60), que además comprende la fermentación (70) bajo condiciones anaeróbicas de al menos parte de la fracción sólida (22) obtenida del primer fermentado (12) y de por lo menos una corriente de rechazo (30b, 40b) de las operaciones de filtración y/o concentración para producir biogás (82) y un segundo fermentado (72).A method (100) for the production and purification of volatile fatty acids (VFAs) comprising fermenting (10) organic waste (1) under anaerobic and controlled acidity conditions to produce a first fermented product (12); subjecting at least a portion of the liquid fraction (23) of the first fermented product (12) first to at least one filtration operation (30) and then to at least one concentration operation (40), to obtain respective reject (30b, 40b) and VFA concentrate (40a) streams; and the recovery and purification of the VFAs from the VFA concentrate stream (40a) by a liquid-liquid extraction operation (50) followed by at least one staged distillation operation (60), further comprising the fermentation (70) under anaerobic conditions of at least part of the solid fraction (22) obtained from the first fermentate (12) and of at least one reject stream (30b, 40b) from the filtration and/or concentration operations to produce biogas (82) and a second fermentate (72).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método y sistema para la producción y purificación de ácidos grasos volátiles a partir de una fuente de residuos orgánicos Method and system for the production and purification of volatile fatty acids from an organic waste source
Campo de la invenciónField of invention
La invención se refiere a un método y a un sistema para la producción de ácidos grasos volátiles, en particular para su producción y purificación a partir de una fuente de residuos orgánicos, como los lodos de depuradora o los residuos biológicos urbanos. The invention relates to a method and a system for the production of volatile fatty acids, in particular for their production and purification from an organic waste source, such as sewage sludge or urban biological waste.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
La digestión anaeróbica (DA) es un proceso que descompone la materia orgánica con la ayuda de microorganismos en un entorno donde no hay oxígeno. La DA es llevada a cabo por diferentes comunidades microbianas que descomponen la materia orgánica en varias etapas sucesivas e interdependientes. Anaerobic digestion (AD) is a process that breaks down organic matter with the help of microorganisms in an oxygen-free environment. AD is carried out by different microbial communities that break down organic matter in several successive and interdependent stages.
La DA espontanea da lugar a un biogás rico en metano. El biogás se utiliza generalmente para la generación de calor y electricidad. Sin embargo, nuevos descubrimientos en el proceso de digestión anaeróbica están permitiendo obtener otros metabolitos intermedios entre los que se incluyen los ácidos carboxílicos como, por ejemplo, los ácidos grasos volátiles (AGVs). Actualmente, la ruta convencional para la producción industrial de AGVs depende de productos químicos derivados del petróleo. Como ruta de producción menos común, la biosíntesis de AGVs a partir de residuos orgánicos ofrece una alternativa a los métodos de producción de AGVs a partir de fuentes no renovables. Spontaneous AD results in methane-rich biogas. Biogas is generally used for heat and electricity generation. However, new developments in the anaerobic digestion process are allowing the production of other intermediate metabolites including carboxylic acids such as volatile fatty acids (VFAs). Currently, the conventional route for industrial VFA production relies on petroleum-derived chemicals. As a less common production route, biosynthesis of VFAs from organic waste offers an alternative to methods of VFA production from non-renewable sources.
Sin embargo, la utilización de una amplia variedad de residuos como sustrato, la amplia variedad de tipos de consorcios microbianos utilizados y la necesidad de concentrar y purificar estos productos intermedios hacen que la recuperación de AGVs por vía de DA sea ineficiente energéticamente. However, the use of a wide variety of wastes as substrate, the wide variety of types of microbial consortia used and the need to concentrate and purify these intermediate products make the recovery of VFAs via DA energy inefficient.
Además, para producir productos como los AGVs, que son metabolitos intermedios, hay que adoptar estrategias que reduzcan su sucesiva transformación en metano. Furthermore, to produce products such as VFAs, which are intermediate metabolites, strategies must be adopted to reduce their subsequent transformation into methane.
Ambas problemáticas, el alto consumo energético y la necesaria inhibición de la metanogénesis, representan una barrera importante para alcanzar tasas elevadas de conversión, industrialización, rendimiento y concentración del producto de interés. Both problems, high energy consumption and the necessary inhibition of methanogenesis, represent an important barrier to achieving high rates of conversion, industrialization, yield and concentration of the product of interest.
De acuerdo con el consenso científico ejemplificado por la revisión crítica realizada por Wainaina S, Lukitawesa, Kumar Awasthi M, Taherzadeh MJ. "Bioengineering of anaerobic digestion for volatile fatty acids, hydrogen or methane production: A critical review. Bioengineered”. 2019 Dec;10(1):437-458. doi: 10.1080/21655979.2019.1673937. PMID: 31570035; PMCID: PMC6802927, la regla de oro para maximizar la acumulación de AGVs en un fermentador no es sólo optimizar su producción, sino también minimizar su consumo, es decir, reducir la conversión de AGVs en metano. Esta reducción de la conversión de AGVs en metano puede lograrse mediante estrategias cuyo propósito es eliminar los microorganismos metanogénicos en el proceso fermentativo. Estas estrategias pueden ser la sobrecarga orgánica del sistema, la reducción del tiempo de retención hidráulico en el fermentador por debajo del tiempo de reproducción de microorganismos metanógenos, la aplicación de pH ácidos o alcalinos o la adición de ciertos productos químicos que actúan como inhibidores de microorganismos metanógenos. According to the scientific consensus exemplified by the critical review conducted by Wainaina S, Lukitawesa, Kumar Awasthi M, Taherzadeh MJ. "Bioengineering of anaerobic digestion for volatile fatty acids, hydrogen or methane production: A critical review. Bioengineered”. 2019 Dec;10(1):437-458. doi: 10.1080/21655979.2019.1673937. PMID: 31570035; PMCID: PMC6802927, the golden rule to maximize the accumulation of VFAs in a fermenter is not only to optimize their production, but also to minimize their consumption, that is, to reduce the conversion of VFAs into methane. This reduction of the conversion of VFAs into methane can be achieved through strategies whose purpose is to eliminate methanogenic microorganisms in the fermentation process. These strategies can be the organic overload of the system, the reduction of the hydraulic retention time in the fermenter below the reproduction time of methanogenic microorganisms, the application of acidic or alkaline pH or the addition of certain chemicals that act as inhibitors of methanogenic microorganisms.
Por otra parte, debido a la enorme cantidad de variables que participan en la digestión anaerobia, todavía no existe un consenso amplio sobre las condiciones que maximizan la producción de AGVs. Si bien entre las variables más importantes se encuentra el pH, dependiendo de otras variables como la naturaleza del residuo orgánico, el tiempo de retención en el reactor, los métodos de control de pH y los consorcios microbianos utilizados, el pH de máximo rendimiento puede variar significativamente, tal como entre condiciones ligeramente ácidas y condiciones básicas (5 pH a 11 pH). Ejemplos de estos casos se pueden encontrar en los siguientes artículos científicos: On the other hand, due to the huge number of variables involved in anaerobic digestion, there is still no broad consensus on the conditions that maximize VFA production. While pH is among the most important variables, depending on other variables such as the nature of the organic waste, the retention time in the reactor, the pH control methods and the microbial consortia used, the maximum yield pH can vary significantly, such as between slightly acidic and basic conditions (5 pH to 11 pH). Examples of these cases can be found in the following scientific articles:
Dahiya S, Sarkar O, Swamy YV, et al. Acidogenic fermentation of food waste for volatile fatty acid production with co-generation of biohydrogen. Bioresour Technol. 2015;182:103-113. Dahiya S, Sarkar O, Swamy YV, et al. Acidogenic fermentation of food waste for volatile fatty acid production with co-generation of biohydrogen. Bioresour Technol. 2015;182:103-113.
Jiang J, Zhang Y, Li K, et al. Volatile fatty acids production from food waste: effects of pH, temperature, and organic loading rate. Bioresour Technol. 2013;143:525-530. Jiang J, Zhang Y, Li K, et al. Volatile fatty acids production from food waste: effects of pH, temperature, and organic loading rate. Bioresour Technol. 2013;143:525-530.
Zhang B, Zhang LL, Zhang SC, et al. The influence of pH on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two-phase anaerobic digestion. Environ Technol. 2005;26(3):329-340. Zhang B, Zhang LL, Zhang SC, et al. The influence of pH on hydrolysis and acidogenesis of kitchen wastes in two-phase anaerobic digestion. Environ Technol. 2005;26(3):329-340.
Wang K, Yin J, Shen D, et al. Anaerobic digestion of food waste for volatile fatty acids (VFAs) production with different types of inoculum: effect of pH. Bioresour Technol. 2014;161:395-401. Wang K, Yin J, Shen D, et al. Anaerobic digestion of food waste for volatile fatty acids (VFAs) production with different types of inoculum: effect of pH. Bioresour Technol. 2014;161:395-401.
Por lo que a literatura de patentes refiere, el documento US 2021/309549 divulga un método de conversión de una corriente de residuos orgánicos que comprende la fermentación de la corriente de residuos orgánicos, ejemplificada como aguas residuales de cervecera, realizada con un tiempo de retención de sólidos de aproximadamente 3 días a aproximadamente 20 días y/o un tiempo de retención hidráulica de no más de 7 días a un pH de 7,5 o menos, para generar un producto orgánico que comprende uno o más AGVs y/o alcoholes, específicamente comprendiendo uno o más de los ácidos láctico, acético, butírico y propiónico, donde el ácido láctico está presente en una cantidad mayor que los otros ácidos orgánicos. As far as patent literature is concerned, document US 2021/309549 discloses a method of converting an organic waste stream comprising fermenting the organic waste stream, exemplified as brewery wastewater, performed with a solids retention time of about 3 days to about 20 days and/or a hydraulic retention time of no more than 7 days at a pH of 7.5 or less, to generate an organic product comprising one or more VFAs and/or alcohols, specifically comprising one or more of lactic, acetic, butyric and propionic acids, wherein the lactic acid is present in a greater amount than the other organic acids.
El método de conversión descrito prevé que los ácidos y/o alcoholes orgánicos puedan recuperarse del efluente del reactor utilizando resinas de intercambio iónico, adsorbentes, filtración por membrana, electrodiálisis, electrodesionización o cualquier combinación de los mismos. Ejemplos de métodos adecuados de filtración por membrana que pueden utilizarse son, por ejemplo, la ultrafiltración, la nanofiltración y la ósmosis inversa. The conversion method described provides that organic acids and/or alcohols can be recovered from the reactor effluent using ion exchange resins, adsorbents, membrane filtration, electrodialysis, electrodeionization or any combination thereof. Examples of suitable membrane filtration methods that can be used are, for example, ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis.
Este método de conversión favorece el proceso de metanogénesis, ya que se realiza a pH 7,5, pero mediante la aplicación de un tiempo de retención de lodos corto en el biorreactor se previene la completa transformación de la materia orgánica en metano. Además, contempla la aireación del afluente de residuos orgánicos al reactor que elimina los metanógenos de la comunidad microbiana. This conversion method favours the methanogenesis process, as it is carried out at pH 7.5, but by applying a short sludge retention time in the bioreactor, the complete transformation of organic matter into methane is prevented. In addition, it contemplates the aeration of the organic waste influent to the reactor, which eliminates methanogens from the microbial community.
Por el documento US 2012149076, se conoce la utilización de residuos orgánicos no solubles en agua para su fermentación en agua, que se promulga como especialmente conveniente porque permite establecer diferentes tiempos de residencia en el reactor para la fracción sólida y la fracción líquida de los residuos orgánicos. El proceso de separación de la fracción sólida y la fracción líquida antes referidas se realizará mediante, por ejemplo, filtros y prensas. The use of water-insoluble organic waste for fermentation in water is known from US 2012149076, which is touted as particularly advantageous because it allows for different residence times in the reactor for the solid fraction and the liquid fraction of the organic waste. The separation process of the solid fraction and the liquid fraction referred to above will be carried out by means of, for example, filters and presses.
Según el documento US 2012149076, aunque bajas concentraciones de AGVs se consiguen fácilmente, la dificultad técnica radica en conseguir una recuperación de AGVs económicamente viable debido a las grandes cantidades de agua que hay que eliminar de la fracción líquida en la que están disueltos los AGVs. En US 2012149076 se propone utilizar la combinación de osmosis inversa seguida de evaporación como método de recuperación de los AGVs. La extracción líquido-líquido se desaconseja debido a que los extractantes atractivos para los AGVs más habituales son miscibles en agua, debiendo de ser separados más tarde del agua o perdiéndose en el proceso. According to US 2012149076, although low concentrations of VFA are easily achieved, the technical difficulty lies in achieving an economically viable recovery of VFA due to the large quantities of water that must be removed from the liquid fraction in which the VFA are dissolved. US 2012149076 proposes using the combination of reverse osmosis followed by evaporation as a method of VFA recovery. Liquid-liquid extraction is discouraged because the attractive extractants for the most common VFAs are miscible in water, having to be separated later from the water or being lost in the process.
Para un mayor rendimiento en la producción de AGVs, US 2012149076 contempla el uso de dos reactores en serie, un primer reactor de bajo rendimiento alimentado con una alta concentración de fracción sólida con corta estancia en el reactor que una vez fermentada es filtrada y sometida a una etapa de separación para obtener una primera corriente líquida rica en AGVs y una fracción sólida que es empleada para alimentar un segundo reactor, en este caso con rendimiento más elevado y con una concentración de sólidos más baja, que una vez fermentada será filtrada y sometida a una etapa de separación para obtener una segunda corriente líquida rica en AGVs que se mezclará con la primera corriente líquida obtenida del primer reactor. For higher performance in the production of VFAs, US 2012149076 contemplates the use of two reactors in series, a first low-performance reactor fed with a high concentration of solid fraction with a short stay in the reactor that once fermented is filtered and subjected to a separation stage to obtain a first liquid stream rich in VFAs and a solid fraction that is used to feed a second reactor, in this case with higher performance and with a lower concentration of solids, which once fermented will be filtered and subjected to a separation stage to obtain a second liquid stream rich in VFAs that will be mixed with the first liquid stream obtained from the first reactor.
Por el documento US10662447, se conoce un método de fermentación en el que los AGVs producidos se encuentran en su forma de sal, para lo cual la fermentación se produce en un medio básico pH>8. Para la recuperación de los AGVs de una corriente líquida obtenida, la basicidad de la disolución es un inconveniente ya que los AGVs deben de encontrarse en su forma protonada para proceder a su recuperación mediante extracción líquido-líquido. Para ello, el documento US10662447 propone someter a esta corriente líquida a un flujo de alta presión de CO2 con el objetivo de producir carbonato o bicarbonato que la acidifiquen para resetear los AGVs a su forma protonada. From document US10662447, a fermentation method is known in which the VFA produced are in their salt form, for which the fermentation occurs in a basic medium pH>8. For the recovery of the VFA from a liquid stream obtained, the basicity of the solution is a drawback since the VFA must be in their protonated form to proceed to their recovery by liquid-liquid extraction. To this end, document US10662447 proposes subjecting this liquid stream to a high-pressure flow of CO2 in order to produce carbonate or bicarbonate that acidify it to reset the VFA to their protonated form.
La mayoría de las tecnologías de fermentación para la producción de AGVs utilizan técnicas para reducir la metanogénesis mediante condiciones del cultivo (US 2021/309549), condiciones de pH que dificulten el crecimiento de los microorganismos metanogénicos (US10662447) o condiciones de concentración de sustrato y tiempo de retención en el reactor que reporten la mínima producción de metano (US2012149076). Most fermentation technologies for VFA production use techniques to reduce methanogenesis through culture conditions (US 2021/309549), pH conditions that hinder the growth of methanogenic microorganisms (US10662447) or substrate concentration and reactor retention time conditions that result in minimal methane production (US2012149076).
Sin embargo, todos estos métodos presentan defectos como tener que pretratar los cultivos bacterianos, utilizar altas cantidades de productos químicos para regular el pH, producir bajas concentraciones de producto cuyo refinamiento es muy demandante energéticamente o generar unos residuos a partir del proceso de fermentación que deberán someterse a sucesivos pasos para terminar su ciclo de valorización (compostaje, etc.). However, all of these methods have drawbacks such as having to pre-treat bacterial cultures, using high amounts of chemicals to regulate pH, producing low concentrations of product whose refining is very energy-intensive, or generating waste from the fermentation process that must undergo successive steps to complete its recovery cycle (composting, etc.).
Sumario de la invenciónSummary of the invention
Para dar solución a los inconvenientes antes descritos, se da a conocer un método para producir y purificar ácidos grasos volátiles (AGVs) de una fuente de residuos orgánicos, que incluye un paso a) que comprende la fermentación de residuos orgánicos bajo condiciones anaeróbicas para producir un primer fermentado; un paso b) que comprende la separación del primer fermentado en una fracción líquida y una fracción sólida; un paso c) que comprende someter al menos una parte de la fracción líquida del paso b) primero a al menos una operación de filtración y después a al menos una operación de concentración, para obtener respectivas corrientes de rechazo y de concentrado de AGVs; y un paso d) que comprende la recuperación y purificación de AGVs de la corriente de concentrado de AGVs mediante una operación de extracción líquido-líquido seguida de al menos una operación de destilación por etapas. In order to solve the above-described drawbacks, a method for producing and purifying volatile fatty acids (VFAs) from an organic waste source is disclosed, which includes a step a) comprising fermenting organic waste under anaerobic conditions to produce a first fermented product; a step b) comprising separating the first fermented product into a liquid fraction and a solid fraction; a step c) comprising subjecting at least a portion of the liquid fraction from step b) first to at least one filtration operation and then to at least one concentration operation, to obtain respective reject and VFA concentrate streams; and a step d) comprising recovering and purifying VFAs from the VFA concentrate stream by means of a liquid-liquid extraction operation followed by at least one stepwise distillation operation.
En esencia, el método se caracteriza porque la fermentación del paso a) es realizado en unas condiciones de acidez controlada, con un pH entre 5 y 6 , preferentemente entre 5,1 y 5,4; y porque el método comprende además un paso e) que comprende la fermentación bajo condiciones anaeróbicas de al menos parte de la fracción sólida del paso b) y de por lo menos una corriente de rechazo del paso c) para producir biogás. In essence, the method is characterized in that the fermentation of step a) is carried out under controlled acidity conditions, with a pH between 5 and 6, preferably between 5.1 and 5.4; and because the method also comprises a step e) which comprises the fermentation under anaerobic conditions of at least part of the solid fraction of step b) and of at least one reject stream of step c) to produce biogas.
Repárese que las condiciones de acidez en la fermentación del paso a) son condiciones que, según los punteros del estado de la técnica, no maximizan la producción de AGVs. No obstante, entre otros aspectos, evitan la producción de otros compuestos de menor valor como el ácido láctico y minimizan la cantidad de compuestos químicos que es necesario añadir para mantener el pH en el valor deseado. It should be noted that the acidity conditions in the fermentation in step a) are conditions that, according to the state of the art, do not maximize the production of VFAs. However, among other aspects, they prevent the production of other compounds of lesser value such as lactic acid and minimize the amount of chemical compounds that need to be added to maintain the pH at the desired value.
Para sacar máximo provecho de este método, de acuerdo con una forma preferente de la invención, la fermentación del paso a) se lleva a cabo en un primer reactor con residuos orgánicos con una concentración de materia orgánica de entre 60 y 120g DQO/L y con porcentaje de materia sólida preferentemente de entre 5% y 15%; y con un tiempo de retención hidráulica (TRH) de entre 2 y 6 días. In order to take full advantage of this method, according to a preferred form of the invention, the fermentation in step a) is carried out in a first reactor with organic waste with an organic matter concentration of between 60 and 120 g COD/L and with a percentage of solid matter preferably between 5% and 15%; and with a hydraulic retention time (HRT) of between 2 and 6 days.
En la fecha de concepción de la presente invención, esta forma de proceder se considera subóptima porque las condiciones de operación aplicadas (pH, tiempo de retención hidráulico) no implican ni la máxima conversión de los residuos orgánicos a AGVs ni minimizan la cantidad de residuo sólido obtenido tras la fermentación. At the time of conception of the present invention, this procedure is considered suboptimal because the operating conditions applied (pH, hydraulic retention time) do not imply the maximum conversion of organic waste to VFAs nor do they minimize the amount of solid waste obtained after fermentation.
La selección combinada de estos parámetros de operación da lugar además a una fracción sólida obtenida en el paso b) que se consideraría demasiado activa para ser desechada directamente, lo que conlleva también deber de realizar ulteriores pasos para su acondicionamiento, lo que es una desmotivación clara para que el experto la hubiera considerado. The combined selection of these operating parameters also results in a solid fraction obtained in step b) that would be considered too active to be directly discarded, which also entails the need to carry out further steps for its conditioning, which is a clear disincentive for the expert to have considered it.
Los inventores han superado estos prejuicios contemplando holísticamente el proceso de fermentación anaerobia de manera que una producción de metano, anteriormente considerada un inconveniente, se sinergia en un segundo proceso fermentativo con la producción de AGVs. De esta manera, no se plantea la producción de AGVs como un proceso cuyo rendimiento se debe maximizar, sino como un proceso que permita obtener una producción significativa de AGVs en las mejores condiciones para minimizar los costes de su posterior purificación. Mediante la segunda etapa de producción de biogás, la fracción sólida obtenida en el paso b), todavía demasiado rica en materia orgánica biodegradable para ser desechada directamente, se somete a un segundo proceso de fermentación orientado a la producción de metano. The inventors have overcome these prejudices by considering the anaerobic fermentation process holistically so that methane production, previously considered a drawback, is synergized in a second fermentation process with VFA production. In this way, VFA production is not considered as a process whose yield must be maximized, but as a process that allows obtaining a significant production of VFA under the best conditions to minimize the costs of their subsequent purification. Through the second stage of biogas production, the solid fraction obtained in step b), still too rich in biodegradable organic matter to be directly disposed of, is subjected to a second fermentation process aimed at methane production.
Esta forma de proceder permitirá que un primer fermentado obtenido del paso a) pueda ser separado en una fracción líquida con AGVs disueltos y una fracción sólida con potencial metanogénico suficiente para someterse a una respectiva segunda fermentación, en un segundo reactor, en este caso para producir un biogás rico en metano. Este biogás producido en esta segunda fermentación supone una fuente de energía calorífica y/o eléctrica para las operaciones de concentración y posteriores de recuperación y purificación de AGVs, en favor de un balance energético global que hace rentable y provechoso todo el método. This procedure will allow a first fermentation obtained from step a) to be separated into a liquid fraction with dissolved VFA and a solid fraction with sufficient methanogenic potential to be subjected to a respective second fermentation, in a second reactor, in this case to produce a biogas rich in methane. This biogas produced in this second fermentation represents a source of heat and/or electrical energy for the concentration operations and subsequent recovery and purification of VFA, in favour of an overall energy balance that makes the entire method profitable and beneficial.
Ventajosamente, además, la corriente o corrientes de rechazo obtenidas de someter al menos a una parte de la fracción líquida del paso b) a al menos una operación de filtración y que poseen una importante concentración de materia orgánica soluble no transformada a AGVs (carbohidratos, proteínas, etc.), podrá ser empleada en la segunda fermentación para ser transformada en biogás. Además, esta corriente o corrientes le aportan a la fracción sólida obtenida tras la primera fermentación parte de la humedad y el calor necesario para ser sometida a la citada segunda fermentación, favoreciendo más si cabe el rendimiento global del método. Advantageously, the reject stream or streams obtained by subjecting at least part of the liquid fraction of step b) to at least one filtration operation and which have a significant concentration of soluble organic matter not transformed into VFAs (carbohydrates, proteins, etc.), may be used in the second fermentation to be transformed into biogas. In addition, this stream or streams provide the solid fraction obtained after the first fermentation with part of the humidity and heat necessary to be subjected to the aforementioned second fermentation, further improving the overall performance of the method.
Es pues caracterizador de esta forma preferente de la invención, la combinación de las siguientes medidas: This preferred form of the invention is therefore characterised by the combination of the following measures:
- Control de pH. - pH control.
Si bien se conoce que el máximo rendimiento de producción de AGVs se puede obtener a un pH ligeramente ácido o ligeramente alcalino, la invención persigue operar el reactor bajo unas condiciones subóptimas (pH entre 5 y 6) para reducir los costes de productos químicos para el control del pH y los costes para la recuperación y purificación de los AGVs. Although it is known that the maximum VFA production yield can be obtained at a slightly acidic or slightly alkaline pH, the invention aims to operate the reactor under suboptimal conditions (pH between 5 and 6) to reduce the costs of chemicals for pH control and the costs for the recovery and purification of the VFA.
Nótese que para contrarrestar el efecto de sobrecarga y para impedir que la acidez no descienda se deberá controlar el pH pudiendo sin embargo proceder de formas conocidas, por ejemplo, añadiendo una base como puede ser NaOH, sin perjudicar el potencial de la invención. Note that to counteract the overload effect and to prevent the acidity from decreasing, the pH must be controlled, although this can be done in known ways, for example, by adding a base such as NaOH, without harming the potential of the invention.
Además de lo anterior, este particular control de pH permite evitar la producción de ácido caproico en el primer reactor. Este ácido que tiene punto de ebullición (208°C) que es próximo a algunos candidatos solventes que pueden ser utilizados para la operación de extracción líquido-líquido del paso d) y puede, consecuentemente, representar un inconveniente debido a la dificultad para separarlo de los potenciales solventes a utilizar. In addition to the above, this particular pH control makes it possible to avoid the production of caproic acid in the first reactor. This acid has a boiling point (208°C) that is close to some solvent candidates that can be used for the liquid-liquid extraction operation in step d) and can, consequently, represent a drawback due to the difficulty in separating it from the potential solvents to be used.
Asimismo, la operación de extracción líquido-líquido antes referida del paso d) tiene su pH óptimo en condiciones ácidas, por lo que realizar la primera fermentación a valores ligeramente ácidos permite minimizar los costes de adición de aditivos para reducir el pH de la corriente de concentrado de AGVs. Likewise, the liquid-liquid extraction operation referred to above in step d) has its optimum pH under acidic conditions, so carrying out the first fermentation at slightly acidic values allows minimizing the costs of adding additives to reduce the pH of the AGV concentrate stream.
- Selección de TRH. - Selection of HRT.
Si bien se conoce que el máximo de concentración de AGVs se puede obtener con un TRH de 15-20 días, la invención persigue operar el reactor en el que se produce la primera fermentación bajo unas condiciones de TRH subóptimas (2-6 días), para, entre otros, minimizar el volumen y el coste del citado reactor. Although it is known that the maximum concentration of VFAs can be obtained with a HRT of 15-20 days, the invention aims to operate the reactor in which the first fermentation takes place under suboptimal HRT conditions (2-6 days), in order to, among others, minimize the volume and cost of said reactor.
- Determinada concentración de materia orgánica. - Certain concentration of organic matter.
Si bien una baja concentración de materia orgánica permite alcanzar un mayor rendimiento de producción de AGVs, se obtiene una corriente más diluida y cuya purificación es más costosa. Así, una concentración de materia orgánica entre 60 y 120 g DQO/L/d y un TRH entre 2 y 6 días implica una alta velocidad de carga orgánica en el reactor donde se produce la primera fermentadoción (15-60 g DQO/Ld) y la obtención de una corriente de AGVs con una concentración de entre 30 y 40 g/L. Although a low concentration of organic matter allows for a higher VFA production yield, a more diluted stream is obtained, which is more expensive to purify. Thus, an organic matter concentration between 60 and 120 g COD/L/d and a HRT between 2 and 6 days implies a high rate of organic loading in the reactor where the first fermentation takes place (15-60 g COD/Ld) and the obtaining of a VFA stream with a concentration between 30 and 40 g/L.
El paso b) permitirá separar el primer fermentado en una fracción líquida y una fracción sólida. Esta operación se podrá realizar, por ejemplo, mediante centrífugas o filtrado prensa de una forma en sí conocida. Step b) will allow the first fermentation to be separated into a liquid fraction and a solid fraction. This operation can be carried out, for example, by centrifuges or by a filter press in a known manner.
En una forma de realización de la invención, esta separación se lleva cabo mediante filtrado prensa ya que ventajosamente se puede alcanzar un mayor grado de sequedad en la fracción sólida y por lo tanto una mayor recuperación de AGVs. In one embodiment of the invention, this separation is carried out by press filtration since advantageously a higher degree of dryness can be achieved in the solid fraction and therefore a greater recovery of VFAs.
En una forma de realización de la invención, se añade al primer fermentado durante el paso b) coagulantes y/o floculantes ya que ventajosamente se puede alcanzar así un mayor grado de sequedad en la fracción sólida y por lo tanto una mayor recuperación de AGVs. In one embodiment of the invention, coagulants and/or flocculants are added to the first fermentation during step b) since advantageously a greater degree of dryness in the solid fraction can thus be achieved and therefore a greater recovery of VFAs.
En una forma preferida, el coagulante y/o floculante comprende polímeros catiónicos, ya que a diferencia de otros coagulantes/floculantes, como las sales metálicas, no favorecen la precipitación de los AGVs. In a preferred form, the coagulant and/or flocculant comprises cationic polymers, since unlike other coagulants/flocculants, such as metal salts, they do not promote the precipitation of VFAs.
En el paso c) se somete a la fracción líquida obtenida en el paso b) a al menos una operación de filtrado y una operación de concentración. In step c), the liquid fraction obtained in step b) is subjected to at least one filtering operation and one concentration operation.
Ventajosamente, el pH establecido en el paso a) permite a compuestos como las sales de fosfato, amonio y de otros cationes como el calcio o el magnesio superar las operaciones de filtrado y concentración sin que se produzca su precipitación accidental. Esto es especialmente conveniente ya que estos compuestos siguen el mismo camino que la corriente de AGVs hasta la operación de extracción líquido-líquido. Tras la extracción líquido-líquido, los AGVs son retirados de la fase acuosa y transferidos al solvente, lo cual provoca un aumento del pH de la fase soluble que, junto a la alta concentración que presentan estos iones, facilita la recuperación de amonio y fosfato en forma de precipitados. Advantageously, the pH established in step a) allows compounds such as phosphate salts, ammonium salts and other cations such as calcium or magnesium to pass through the filtering and concentration operations without accidental precipitation. This is particularly convenient since these compounds follow the same path as the VFA stream up to the liquid-liquid extraction operation. After liquid-liquid extraction, the VFAs are removed from the aqueous phase and transferred to the solvent, which causes an increase in the pH of the soluble phase which, together with the high concentration of these ions, facilitates the recovery of ammonium and phosphate in the form of precipitates.
En la operación de filtración se producirá una o más corrientes de rechazo que contendrán componentes orgánicos de naturaleza sólida, coloidal y soluble no transformados en AGVs. In the filtration operation, one or more reject streams will be produced that will contain organic components of a solid, colloidal and soluble nature not transformed into VFAs.
Al menos un corriente de rechazo, rica en componentes orgánicos, será fermentada en el paso e) junto a la fracción sólida generada en el paso b). Ventajosamente, esto contribuye a rehidratar la fracción sólida destinada a ser fermentada en el paso e) además de aprovechar el contenido orgánico de la corriente de rechazo. At least one reject stream, rich in organic components, will be fermented in step e) together with the solid fraction generated in step b). Advantageously, this contributes to rehydrating the solid fraction intended to be fermented in step e) as well as utilizing the organic content of the reject stream.
En una forma de realización, el paso c) comprende dos etapas de filtración: una primera de ultrafiltración seguida por una segunda de nanofiltración, en serie. In one embodiment, step c) comprises two filtration stages: a first stage of ultrafiltration followed by a second stage of nanofiltration, in series.
En la operación de concentración del paso c) se obtendrá una primera corriente de concentrado de AGVs y al menos una corriente de rechazo, que será principalmente agua y compuestos orgánicos coloidales y solubles. In the concentration operation of step c), a first stream of VFA concentrate and at least one reject stream will be obtained, which will be mainly water and colloidal and soluble organic compounds.
Ventajosamente, la corriente de rechazo de la operación de concentración será utilizada en el paso e) para hidratar la fracción sólida resultante del paso b), destinada a ser fermentada en el paso e). Advantageously, the reject stream from the concentration operation will be used in step e) to hydrate the solid fraction resulting from step b), intended to be fermented in step e).
Ventajosamente, la operación de concentración concentrará también los compuestos anteriormente descritos diferentes de AGVs como las sales de fosfato, amonio y de otros cationes como el calcio o el magnesio en forma iónica. Esto no solo facilitará su separación en la operación de extracción líquido-líquido sino que, además, facilitará la recuperación de sales de amonio y fósforo, la cual se ve favorecida a altas concentraciones de estos compuestos. Advantageously, the concentration operation will also concentrate the previously described compounds other than VFAs such as phosphate, ammonium and other cation salts such as calcium or magnesium in ionic form. This will not only facilitate their separation in the liquid-liquid extraction operation but will also facilitate the recovery of ammonium and phosphorus salts, which is favoured at high concentrations of these compounds.
También ventajosamente, la operación de concentración en el paso c) antes de la operación de extracción líquido-líquido del paso d) permite una reducción muy notable de la cantidad de ácido necesaria para disminuir el pH de la disolución y del solvente que se necesita para recuperar los AGVs de la fase líquida en la que están disueltos debido al aumento de concentración de AGVs en la disolución y a que el pH de la concentración disminuye. Esto se traduce en un ahorro de energía calorífica notable, de hasta un 70-80% y una disminución en los reactivos utilizados para adecuar el pH de la disolución al apropiado para la separación líquido-líquido en comparación con alternativas que no contemplan una operación de concentración. Also advantageously, the concentration operation in step c) prior to the liquid-liquid extraction operation in step d) allows a very notable reduction in the quantity of acid needed to lower the pH of the solution and of the solvent needed to recover the VFAs from the liquid phase in which they are dissolved due to the increased concentration of VFAs in the solution and the fact that the pH of the concentration decreases. This translates into a notable saving of heat energy, of up to 70-80% and a decrease in the reagents used to adjust the pH of the solution to that appropriate for liquid-liquid separation compared to alternatives that do not contemplate a concentration operation.
En una forma de realización, la al menos una operación de concentración es por ósmosis inversa. En este caso la corriente de rechazo de la operación de concentración es el clarificado de la ósmosis inversa. In one embodiment, the at least one concentration operation is by reverse osmosis. In this case the reject stream from the concentration operation is the reverse osmosis clarification.
Ventajosamente, los rendimientos de la ósmosis inversa en un método según la invención supera los rendimientos de operaciones de concentración que el estado de la técnica pueda contemplar realizar, como por ejemplo la diálisis. Advantageously, the performance of reverse osmosis in a method according to the invention exceeds the performance of concentration operations that the state of the art can contemplate performing, such as dialysis.
En una forma de realización la operación de concentración por ósmosis inversa utiliza membranas poliméricas de poliamida. In one embodiment the reverse osmosis concentration operation uses polyamide polymeric membranes.
En la operación de extracción líquido-líquido líquido se contempla emplear un solvente ligero parcialmente soluble en agua, un candidato es acetato de etilo. In the liquid-liquid extraction operation, it is contemplated to use a light solvent partially soluble in water, one candidate being ethyl acetate.
En la operación de extracción líquido-líquido líquido también se contempla emplear un solvente pesado no soluble en agua, un candidato es octanoato de etilo. In the liquid-liquid extraction operation, it is also contemplated to use a heavy solvent not soluble in water, one candidate being ethyl octanoate.
En cualquier caso, la operación de destilación por etapas comprende de acuerdo con una variante de la invención una primera etapa de destilación de la que se obtiene una corriente de mezcla de AGVs, carente del solvente empleado para la operación extracción líquidolíquido; comprendiendo el método someter a esta corriente de mezcla de AGVs a una cascada de destilación para separar diferentes tipos de AGVs, al menos, acético, propiónico, butírico y valérico. In any case, the stage-wise distillation operation comprises, according to a variant of the invention, a first distillation stage from which a VFA mixture stream is obtained, lacking the solvent used for the liquid-liquid extraction operation; the method comprising subjecting this VFA mixture stream to a distillation cascade to separate different types of VFA, at least acetic, propionic, butyric and valeric.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
La Figura 1, es un diagrama de flujo de un método de producción y purificación de AGVs de acuerdo con una realización de la invención; Figure 1 is a flow chart of a method of producing and purifying VFAs according to an embodiment of the invention;
La Figura 2, es un diagrama de flujo en mayor detalle de las operaciones de concentración, extracción líquido-líquido y destilación según una variante del método de la invención; Figure 2 is a more detailed flow diagram of the concentration, liquid-liquid extraction and distillation operations according to a variant of the method of the invention;
La Figura 3, es un diagrama de flujo en mayor detalle de las operaciones de concentración, extracción líquido-líquido y destilación según otra variante del método de la invención; y La Figura 4, es un diagrama de flujo completo de un método de producción y purificación de AGVs, de acuerdo con una realización de la invención. Figure 3 is a more detailed flow diagram of the concentration, liquid-liquid extraction and distillation operations according to another variant of the method of the invention; and Figure 4 is a complete flow diagram of a method of production and purification of VFAs, according to an embodiment of the invention.
Explicación de detalle de la invenciónDetailed explanation of the invention
La presente invención se ejemplifica con ayuda de dos ejemplos que emplean respectivas fuentes de materia orgánica. En concreto, el Ejemplo 1 se refiere a una variante de puesta en práctica del método de la invención que parte de biorresiduo urbano; mientras que el Ejemplo 2 se refiere a otra variante de puesta en práctica del método de la invención que parte de un fango de una depuradora. The present invention is illustrated by means of two examples using respective sources of organic matter. Specifically, Example 1 refers to a variant of the implementation of the method of the invention that starts with urban biowaste; while Example 2 refers to another variant of the implementation of the method of the invention that starts with sludge from a sewage treatment plant.
El diagrama de flujo de la Figura 1 ilustra pasos que son comunes en ambos Ejemplos 1 y 2. The flowchart in Figure 1 illustrates steps that are common to both Examples 1 and 2.
Con referencia a esta Figura 1, un paso a) comprende una primera fermentación 10. Esta primera fermentación 10 es una fermentación de los residuos orgánicos 1 a partir de los cuales se obtendrán los AGVs, primera fermentación que se lleva a cabo bajo condiciones anaeróbicas para producir un primer fermentado 12. Esta primera fermentación 10 se lleva a cabo en un primer reactor al que nos referiremos después. With reference to this Figure 1, a step a) comprises a first fermentation 10. This first fermentation 10 is a fermentation of the organic waste 1 from which the VFAs will be obtained, which first fermentation is carried out under anaerobic conditions to produce a first fermented product 12. This first fermentation 10 is carried out in a first reactor which we will refer to later.
Un paso b) siguiente comprende la separación 20 del primer fermentado 12 en una fracción líquida 23 y en una fracción sólida 22. Como muestra la Figura 1, estas fracciones líquida 23 y sólida 22 seguirán cursos diferentes. Esta separación puede llevarse a cabo por unos medios de separación que se ejemplifican después en la forma de una prensa filtro. A subsequent step b) comprises the separation 20 of the first fermentation 12 into a liquid fraction 23 and a solid fraction 22. As shown in Figure 1, these liquid 23 and solid 22 fractions will follow different courses. This separation can be carried out by separation means which are exemplified below in the form of a filter press.
Siguiendo el flujo de la Figura 1, por un lado, al menos a una parte de la fracción líquida 23 obtenida del primer fermentado 12 se somete primero a al menos una operación de filtración 30, preferentemente con dos etapas de filtración en cascada como se describirá en referencia a los Ejemplos 1 y 2, y después a al menos una operación de concentración 40. De las operaciones de filtración 30 y de concentración 40 se obtendrán respectivas corrientes de rechazo 30b y de clarificado 40b y, fruto de la operación de concentración 40, se obtendrá también una corriente de concentrado de AGVs 40a. Las operaciones de filtración y concentración pueden llevarse a cabo con respectivos medios de filtración y concentración, que se ejemplifican después. Following the flow of Figure 1, on the one hand, at least a part of the liquid fraction 23 obtained from the first fermentation 12 is first subjected to at least one filtration operation 30, preferably with two cascade filtration stages as will be described with reference to Examples 1 and 2, and then to at least one concentration operation 40. From the filtration operations 30 and concentration 40, respective reject streams 30b and clarification streams 40b will be obtained and, as a result of the concentration operation 40, a VFA concentrate stream 40a will also be obtained. The filtration and concentration operations can be carried out with respective filtration and concentration means, which are exemplified below.
Seguirá un paso d) de recuperación y purificación de los AGVs de la corriente de concentrado de AGVs 40a que comprende una operación de extracción 50 de tipo líquido-líquido seguida de al menos una operación de destilación 60, en preferencia con varias etapas de destilación en cascada como se describirá en referencia a los Ejemplos 1 y 2, para producir AGVs esencialmente puros. This will be followed by a step d) of recovery and purification of the VFAs from the VFA concentrate stream 40a comprising a liquid-liquid type extraction operation 50 followed by at least one distillation operation 60, preferably with several distillation stages in cascade as will be described with reference to Examples 1 and 2, to produce essentially pure VFAs.
En el contexto de la presente descripción, por esencialmente puros nos referimos a productos con porcentaje en peso del producto valorizado, en este caso un AGV, superior a 95%. In the context of this description, by essentially pure we mean products with a percentage by weight of the valued product, in this case a VFA, greater than 95%.
Las operaciones de concentración 40 y el global del paso d), que incluye las operaciones de extracción 50 y de destilación 60, son acciones intensivas energéticamente. The concentration operations 40 and the overall step d), which includes the extraction operations 50 and the distillation operations 60, are energy-intensive actions.
El método de la invención comprende acciones que, entre otros aspectos, permiten superar este inconveniente. Un aspecto de estas acciones comprende tomar medidas para que la primera fermentación 10 del paso a) se realice en unas condiciones de acidez controlada, entre 5 pH y 6 pH, a pesar de que esta selección no venga asociada en la literatura como aquella que maximiza la producción de AGVs. Otro aspecto de estas acciones comprende, como muestra el diagrama de la Figura 1, un paso e) que comprende una segunda fermentación 70. Esta segunda fermentación 70 es una fermentación bajo condiciones anaeróbicas de al menos parte de la fracción sólida 22 del primer fermentado, obtenida en el paso b) antes referido, y también de por lo menos una corriente de rechazo 30b y/o 40b obtenidas en las operaciones de filtración 30 y concentración 40, respectivamente, para producir un biogás 82 y un segundo fermentado 72. Esta segunda fermentación se lleva a cabo en un segundo reactor al que también nos referiremos después. The method of the invention comprises actions that, among other aspects, allow this drawback to be overcome. One aspect of these actions comprises taking measures so that the first fermentation 10 of step a) is carried out under controlled acidity conditions, between 5 pH and 6 pH, even though this selection is not associated in the literature as that which maximizes the production of VFAs. Another aspect of these actions comprises, as shown in the diagram in Figure 1, a step e) which comprises a second fermentation 70. This second fermentation 70 is a fermentation under anaerobic conditions of at least part of the solid fraction 22 of the first fermentate, obtained in the aforementioned step b), and also of at least one reject stream 30b and/or 40b obtained in the filtration 30 and concentration 40 operations, respectively, to produce a biogas 82 and a second fermentate 72. This second fermentation is carried out in a second reactor which will also be referred to later.
El biogás 82 podrá ser valorizado fuera del sistema o podrá ser transformado en energía calorífica o eléctrica en una operación de generación de energía 80, como pretende ilustrar la línea discontinua de la Figura 1, para ser aprovechada en las operaciones de concentración 40 y/o especialmente en alguna de las etapas de la operación de destilación del paso d). The biogas 82 may be valorised outside the system or may be transformed into heat or electrical energy in a power generation operation 80, as the dashed line in Figure 1 is intended to illustrate, to be used in the concentration operations 40 and/or especially in one of the stages of the distillation operation in step d).
Ejemplo 1:Example 1:
El diagrama de flujo que sigue la puesta en práctica de este Ejemplo 1 se ilustra en la Figura 4, en la que nos apoyaremos en esta sección para una mejor explicación. The flowchart that follows the implementation of this Example 1 is illustrated in Figure 4, which we will rely on in this section for a better explanation.
Sigue en la Tabla 1 una caracterización de la fuente de materia orgánica empleada, en la forma de biorresiduo urbano obtenido de la recogida selectiva de residuos orgánicos municipales. Table 1 provides a characterization of the source of organic matter used, in the form of urban bio-waste obtained from the selective collection of municipal organic waste.
Tabla 1: Caracterización del biorresiduo urbano utilizado en el Ejemplo 1. Table 1: Characterization of the urban biowaste used in Example 1.
Como paso previo al paso a), el biorresiduo 1 fue conducido a una trituradora 15 en la que además se le añadió agua hasta alcanzar un porcentaje de materia sólida del 8%. Así, un caudal másico de 1000 kg/d de biorresiduo fue triturado y diluido hasta alcanzar un caudal de 2500 kg/d. As a preliminary step to step a), bio-waste 1 was taken to a crusher 15, where water was also added until reaching a solids content of 8%. Thus, a mass flow rate of 1000 kg/d of bio-waste was crushed and diluted until reaching a flow rate of 2500 kg/d.
A continuación, el resultado de la mezcla fue conducido al primer reactor 11, en el que se llevó a cabo el paso a) y en concreto la primera fermentación seleccionándose un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 5 días y a una temperatura aproximada de 37°C, eso es bajo condiciones de temperatura mesofílicas. Para mantener el pH entre 5 y 6 en el reactor, fue necesaria la adición de 20 kg NaOH (50%). La colonia de microrganismos fue seleccionada de forma natural a partir de un cultivo microbiano mixto procedente de un digestor anaerobio industrial de lodos de depuradora. The mixture was then taken to the first reactor 11, where step a) was carried out, specifically the first fermentation, selecting a hydraulic retention time (HRT) of 5 days and a temperature of approximately 37°C, that is, under mesophilic temperature conditions. To maintain the pH between 5 and 6 in the reactor, it was necessary to add 20 kg of NaOH (50%). The colony of microorganisms was naturally selected from a mixed microbial culture from an industrial anaerobic digester of sewage sludge.
De esta primera fermentación se obtuvo el primer fermentado 12 que fue sometido en un paso b) a una operación de separación, en concreto siendo conducido a una prensa filtro 21. Este primer fermentado 12 tuvo las propiedades que se muestran en la Tabla 2. From this first fermentation the first fermented product 12 was obtained, which was subjected in step b) to a separation operation, specifically being taken to a filter press 21. This first fermented product 12 had the properties shown in Table 2.
Tabla 2: Caracterización del primer fermentado efluente del primer reactor, en el Ejemplo 1. Table 2: Characterization of the first fermented effluent from the first reactor, in Example 1.
Para favorecer la separación sólido-líquido en la prensa filtro 21 se añadió una dosis de coagulante FLOPAM FL 4820 de 1000ppm y una dosis de floculante FLOPAM EM 640 L de 1500ppm. To promote solid-liquid separation in filter press 21, a dose of 1000 ppm FLOPAM FL 4820 coagulant and a dose of 1500 ppm FLOPAM EM 640 L flocculant were added.
La prensa filtro 21 permitió obtener una fracción sólida 22 y una fracción líquida 23 del primer fermentado 12, cuyas características se detallan en la Tabla 3. The filter press 21 allowed obtaining a solid fraction 22 and a liquid fraction 23 of the first fermentation 12, whose characteristics are detailed in Table 3.
Tabla 3: Caracterización de la fracción sólida y de la fracción líquida obtenidas del primer fermentado, en el Ejemplo 1. Table 3: Characterization of the solid fraction and the liquid fraction obtained from the first fermentation, in Example 1.
El total de la fracción líquida 23 producida fue empleada para realizar el paso c), siendo sometida a una operación de filtración en dos etapas: una primera de ultrafiltración 31 y una segunda de nanofiltración 32, en cascada. De la primera etapa de ultrafiltración 31 se obtuvo una primera corriente de rechazo 31b y una primera corriente clarificada 31a. Esta primera corriente clarificada se sometió a la segunda etapa de nanofiltración 32 produciendo una segunda corriente de rechazo 32b y una segunda corriente clarificada 32a. Estas filtraciones se hicieron a una presión de entre 25 y 35 bar con un flujo de alrededor de 40 L/m2h. Los productos y rechazos de esta operación de filtración se muestran en la Tabla 4. The total liquid fraction 23 produced was used to carry out step c), and was subjected to a two-stage filtration operation: a first stage of ultrafiltration 31 and a second stage of nanofiltration 32, in cascade. From the first stage of ultrafiltration 31 a first reject stream 31b and a first clarified stream 31a were obtained. This first clarified stream was subjected to the second stage of nanofiltration 32 producing a second reject stream 32b and a second clarified stream 32a. These filtrations were carried out at a pressure of between 25 and 35 bar with a flow of approximately 40 L/m2h. The products and rejects of this filtration operation are shown in Table 4.
Tabla 4: Caracterización de las etapas de ultrafiltración y nanofiltración, de la operación de filtración de la fracción líquida del primer fermentado, en el Ejemplo 1. Table 4: Characterization of the ultrafiltration and nanofiltration stages of the filtration operation of the liquid fraction of the first fermentation, in Example 1.
La segunda corriente clarificada 32a se sometió a una operación de concentración, por doble paso de osmosis inversa 41, a una presión entre 40 y 50 bar, con un flujo alrededor de 20 L/m2h. En el presente ejemplo se produjo un caudal de permeado de agua limpia de alrededor de 1221 kg/d, siendo el rechazo de alrededor de 523 kg/d, de manera que la concentración de AGVs aumentó desde 21,2 hasta 77 g/L y su volumen se redujo un 70%. Gracias a mantener el pH en un valor ácido, se evitó la precipitación indeseada de sales de amonio y/o fósforo, ya que las concentraciones de amonio y fosfato ascendieron hasta alrededor de 4,5 y 1,1 g/L, siendo estas concentraciones favorables para la obtención de precipitados como la estruvita. The second clarified stream 32a was subjected to a concentration operation by double reverse osmosis step 41 at a pressure between 40 and 50 bar, with a flow rate of about 20 L/m2h. In this example, a clean water permeate flow rate of about 1221 kg/d was produced, with a reject of about 523 kg/d, so that the VFA concentration increased from 21.2 to 77 g/L and their volume was reduced by 70%. By maintaining the pH at an acidic value, the undesired precipitation of ammonium and/or phosphorus salts was avoided, since the ammonium and phosphate concentrations rose to about 4.5 and 1.1 g/L, these concentrations being favourable for obtaining precipitates such as struvite.
En el Ejemplo 1, las corrientes de rechazo 31b, 32b de la operación de filtración 30 y de clarificado 40b de la operación de concentración 40 fueron utilizadas para aportar materia orgánica soluble, hidratar y calentar parcialmente el residuo sólido de la primera fermentación para maximizar la producción de biogás en la segunda fermentación. In Example 1, the reject streams 31b, 32b from the filtration operation 30 and the clarification streams 40b from the concentration operation 40 were used to provide soluble organic matter, hydrate and partially heat the solid residue from the first fermentation to maximize biogas production in the second fermentation.
En cualquier caso, la operación de concentración daba por finalizado el paso c) para proceder al siguiente paso d) consistente en la recuperación y purificación de los AGVs de la corriente de concentrado de AGVs 40a. In any case, the concentration operation completed step c) to proceed to the next step d) consisting of the recovery and purification of the VFAs from the VFA concentrate stream 40a.
A tal efecto, la corriente de concentrado de AGVs 40a fue sometida a una operación de extracción líquido-líquido 50. En el Ejemplo 1 se utilizó acetato de etilo como disolvente. For this purpose, the VFA concentrate stream 40a was subjected to a liquid-liquid extraction operation 50. In Example 1, ethyl acetate was used as solvent.
Antes de proceder con la operación de extracción líquido-líquido 50, se modificó sin embargo el pH de la corriente de concentrado de AGVs añadiendo 0,35 kg/d de HCl, al objeto de reducir los valores de pH a un valor objetivo próximo a 3. De este extractor se obtuvieron dos corrientes, una primera corriente rica en acetato de etilo y AGVs 51a y una segunda la corriente rica en agua y acetato de etilo 51b, todo ello como ilustra en mejor detalle la Figura 2. Before proceeding with the liquid-liquid extraction operation 50, however, the pH of the VFA concentrate stream was modified by adding 0.35 kg/d of HCl, in order to reduce the pH values to a target value close to 3. Two streams were obtained from this extractor, a first stream rich in ethyl acetate and VFA 51a and a second stream rich in water and ethyl acetate 51b, all as illustrated in greater detail in Figure 2.
A partir de la primera corriente rica en acetato de etilo y AGVs 51a se iniciará la operación de destilación en cascada 60. Esta operación de destilación se ilustra también en mayor detalle en la Figura 2. From the first stream rich in ethyl acetate and VFA 51a, the cascade distillation operation 60 will be started. This distillation operation is also illustrated in greater detail in Figure 2.
Debido a que el acetato de etilo es un producto parcialmente soluble en agua, se realizaron en el presente Ejemplo 1 dos etapas, 52, 61 de destilación para la recuperación de acetato de etilo tras la extracción líquido-líquido 51. La primera etapa de destilación 61 tuvo por propósito separar la primera corriente rica en acetato de etilo y AGVs 51a en dos fracciones, la primera fracción 61a consistente en una mezcla de AGVs y la segunda fracción 55 consistente en acetato de etilo. Since ethyl acetate is a partially water-soluble product, two distillation steps 52, 61 were performed in the present Example 1 for the recovery of ethyl acetate after liquid-liquid extraction 51. The first distillation step 61 had the purpose of separating the first stream rich in ethyl acetate and VFAs 51a into two fractions, the first fraction 61a consisting of a mixture of VFAs and the second fraction 55 consisting of ethyl acetate.
En cuanto a la segunda la corriente rica en agua y acetato de etilo 51b, también fue sometida a una etapa de recuperación por destilación 52 que generó una corriente rica en acetato de etilo 55 y una corriente acuosa. As for the second stream rich in water and ethyl acetate 51b, it was also subjected to a recovery stage by distillation 52 that generated a stream rich in ethyl acetate 55 and an aqueous stream.
La corriente de acetato de etilo 55 recuperado será utilizada en sucesivas operaciones de extracción líquido-líquido. The recovered ethyl acetate stream will be used in successive liquid-liquid extraction operations.
Como último paso para el refinamiento de los AGVs, se sometió a esta última a una cascada de destilación 62, 63, 64 para separar los diferentes tipos de AGVs, para el caso acético 101, propiónico 102, butírico 103 y valérico 104, obteniendo el perfil de la Tabla 5. As a final step for the refinement of the VFAs, the latter was subjected to a distillation cascade 62, 63, 64 to separate the different types of VFAs, in this case acetic 101, propionic 102, butyric 103 and valeric 104, obtaining the profile in Table 5.
Tabla 5: Caracterización de los AGVs obtenidos, en el Ejemplo 1. Table 5: Characterization of the VFAs obtained in Example 1.
Por otra parte, como es característico del método, la fracción sólida 22 del primer fermentado obtenida por medio de la prensa filtro 21 se empleó como influente de un segundo reactor 71, en el Ejemplo 1 junto con las corrientes de rechazo 31b y 32b de las etapas de ultrafiltración 31 y nanofiltración 32. En el Ejemplo 1, a los 460 kg de fracción sólida de la primera fermentación se le añadieron 100 kg/d de agua de rechazo de la UF, 190 kg/d de agua de rechazo de la NF y también 1221 kg/d del clarificado de la ósmosis 40b, para alcanzar un conveniente grado de humedad en este influente. On the other hand, as is characteristic of the method, the solid fraction 22 of the first fermentation obtained by means of the filter press 21 was used as influent of a second reactor 71, in Example 1 together with the reject streams 31b and 32b of the ultrafiltration stages 31 and nanofiltration 32. In Example 1, to the 460 kg of solid fraction of the first fermentation were added 100 kg/d of reject water from the UF, 190 kg/d of reject water from the NF and also 1221 kg/d of the clarification from the osmosis 40b, to reach a suitable degree of humidity in this influent.
En este segundo reactor 71 se lleva a cabo una segunda fermentación. Para esta segunda fermentación se seleccionó un TRH de 20 días y se produjo a aproximadamente 55°C, es decir, bajo condiciones de temperatura termófilas. Bajo estas condiciones se obtiene un producto digerido higienizado que puede ser utilizado directamente en la agricultura sin necesidad de ningún postratamiento. In this second reactor 71, a second fermentation takes place. For this second fermentation, a HRT of 20 days was selected and it was produced at approximately 55°C, i.e. under thermophilic temperature conditions. Under these conditions, a sanitized digested product is obtained that can be used directly in agriculture without the need for any post-treatment.
De esta segunda fermentación se obtuvo el segundo fermentado 72, cuyas propiedades que se muestran en la Tabla 6 , y un biogás 82. From this second fermentation, the second fermented product 72 was obtained, whose properties are shown in Table 6, and a biogas 82.
Tabla 6: Caracterización del segundo fermentado, efluente del segundo reactor, en el Ejemplo 1. Table 6: Characterization of the second fermentation, effluent from the second reactor, in Example 1.
Mediante la mezcla de las distintas corrientes de rechazo de las etapas de la operación de filtración, se consigue ajustar el pH a un valor adecuado para el proceso de producción de biogás. El consorcio microbiano se adapta por selección natural a las condiciones de operación a partir de un cultivo mixto procedente de un digestor anaerobio. By mixing the different reject streams from the filtration operation stages, the pH is adjusted to a value suitable for the biogas production process. The microbial consortium adapts to the operating conditions by natural selection from a mixed culture from an anaerobic digester.
El segundo fermentado 72 producido fue acondicionado, en concreto conducido a una segunda prensa filtro 76 empleándose 1000 ppm de coagulante y 1500 ppm de los mismos floculantes utilizados en la etapa de separación de la primera corriente de fermentado, de forma que la fracción sólida 77 obtenida fue compatible con usos agrícolas; mientras la fracción líquida 78 se sometió a una operación de tratamiento de retornos 79, en sí conocidos, para ser desechada, aunque podría mezclarse con la corriente acuosa obtenida de la operación de destilación 50 para recuperar sales de amonio y fósforo de ambas corrientes simultáneamente. The second fermented product 72 was conditioned, specifically directed to a second filter press 76 using 1000 ppm of coagulant and 1500 ppm of the same flocculants used in the separation stage of the first fermented stream, such that the solid fraction 77 obtained was compatible with agricultural uses; while the liquid fraction 78 was subjected to a return treatment operation 79, known per se, to be discarded, although it could be mixed with the aqueous stream obtained from the distillation operation 50 to recover ammonium and phosphorus salts from both streams simultaneously.
En cualquier caso, el biogás 82 producido en el segundo reactor 71, para el caso un biogás 82 rico en CH4, fue alimentado parcialmente a una caldera 81 para generación de energía calorífica y el resto a un motor de cogeneración para producir electricidad. In any case, the biogas 82 produced in the second reactor 71, in this case a CH4-rich biogas 82, was partially fed to a boiler 81 for heat energy generation and the remainder to a cogeneration engine to produce electricity.
En el Ejemplo 1, parte de la energía calorífica producida en la caldera 81 pudo emplearse efectivamente para las operaciones de destilación 52, 61, 62, 63, 64 antes referidas del paso d) de recuperación y purificación de los AGVs. La energía eléctrica producida fue utilizada para cubrir las necesidades energéticas del resto de unidades (bombeos, agitadores, etc.), pudiendo producirse un excedente que puede ser inyectado a la red. In Example 1, part of the heat energy produced in boiler 81 could be effectively used for the distillation operations 52, 61, 62, 63, 64 referred to above in step d) of recovery and purification of the VFAs. The electrical energy produced was used to cover the energy needs of the other units (pumps, agitators, etc.), and a surplus could be produced that could be injected into the network.
El balance de energía obtenido en el Ejemplo 1 se muestra en la Tabla 7. A partir de las corrientes residuales de los distintos procesos se obtuvieron 78 m3/d de biogás 82, con una concentración de metano del 60%. Un 25% de este biogás se destinó en concreto al motor de cogeneración antes referido, de donde se obtuvieron 1,6 kW de energía eléctrica y 1,4 kW de energía calorífica. El 75% restante se destinó a la caldera 81, de donde se obtuvieron otros 12,6 kW de energía calorífica. The energy balance obtained in Example 1 is shown in Table 7. From the waste streams of the different processes, 78 m3/d of biogas 82 were obtained, with a methane concentration of 60%. 25% of this biogas was specifically destined to the aforementioned cogeneration engine, from which 1.6 kW of electrical energy and 1.4 kW of heat energy were obtained. The remaining 75% was destined to boiler 81, from which another 12.6 kW of heat energy were obtained.
Tabla 7: Balance de la energía CALORÍFICA consumida y generada en el Ejemplo 1. Table 7: Balance of the HEAT energy consumed and generated in Example 1.
Tabla 8: Balance de la energía eléctrica consumida y generada en el Ejemplo 1. Table 8: Balance of electrical energy consumed and generated in Example 1.
Ejemplo 2:Example 2:
El Ejemplo 2 se diferencia respecto del Ejemplo 1 en que la fuente de materia orgánica es lodo de depuradora; y en que se utiliza octanoato de etilo como solvente en la operación de extracción líquido-líquido. Example 2 differs from Example 1 in that the source of organic matter is sewage sludge and that ethyl octanoate is used as a solvent in the liquid-liquid extraction operation.
Sigue en la Tabla 9 una caracterización de la fuente de materia orgánica empleada. A characterization of the source of organic matter used follows in Table 9.
Tabla 9: Caracterización del lodo de depuradora utilizado en el Ejemplo 2. Table 9: Characterization of the sewage sludge used in Example 2.
En este caso no fue preciso previo al paso a) conducir el lodo a una trituradora. In this case, it was not necessary to transfer the sludge to a crusher before step a).
En su lugar el lodo fue conducido a una unidad de hidratación para ajustar su humedad y tras esto al primer reactor 11, en el que se llevó a cabo el paso a) y en concreto la primera fermentación seleccionándose un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 5-6 días y a una temperatura aproximada de 37°C, eso es bajo condiciones de temperatura mesofílicas. Para mantener el pH entre 5 y 6 en el reactor, fue necesaria la adición de 15 kg NaOH (50%). La colonia de microrganismos fue seleccionada de forma natural a partir de un cultivo microbiano mixto procedente de un digestor anaerobio industrial de lodos de depuradora. Instead, the sludge was taken to a hydration unit to adjust its humidity and then to the first reactor 11, where step a) was carried out and specifically the first fermentation, selecting a hydraulic retention time (HRT) of 5-6 days and at an approximate temperature of 37°C, that is, under mesophilic temperature conditions. To maintain the pH between 5 and 6 in the reactor, it was necessary to add 15 kg of NaOH (50%). The microorganism colony was naturally selected from a mixed microbial culture from an industrial anaerobic digester of sewage sludge.
El primer fermentado 12 tuvo las propiedades que se muestran en la Tabla 10. The first fermented 12 had the properties shown in Table 10.
Tabla 10: Caracterización del primer fermentado efluente del primer reactor, en el Ejemplo 2. Table 10: Characterization of the first fermented effluent from the first reactor, in Example 2.
Para favorecer la separación sólido-líquido en la prensa filtro 21 se añadió una dosis de coagulante FLOPAM FL 4820 de 200ppm y una dosis de floculante FLOPAM EM 640 L de 1500ppm. To promote solid-liquid separation in filter press 21, a dose of 200 ppm FLOPAM FL 4820 coagulant and a dose of 1500 ppm FLOPAM EM 640 L flocculant were added.
La prensa filtro 21 permitió obtener una fracción sólida 22 y una fracción líquida 23 del primer fermentado 12, cuyas características se detallan en la Tabla 11. The filter press 21 allowed obtaining a solid fraction 22 and a liquid fraction 23 of the first fermentation 12, whose characteristics are detailed in Table 11.
Tabla 11: Caracterización de la fracción sólida y de la fracción líquida obtenidas del primer fermentado, en el Ejemplo 2. Table 11: Characterization of the solid fraction and the liquid fraction obtained from the first fermentation, in Example 2.
De forma análoga al Ejemplo 1 el total de la fracción líquida 23 producida fue empleada para realizar el paso c), siendo sometida a una operación de filtración en dos etapas: una primera de ultrafiltración 31 y una segunda de nanofiltración 32, en serie. Los productos y rechazos de esta operación de filtración se muestran en la Tabla 12. Similarly to Example 1, the entire liquid fraction 23 produced was used to carry out step c), and was subjected to a filtration operation in two stages: a first stage of ultrafiltration 31 and a second stage of nanofiltration 32, in series. The products and rejects of this filtration operation are shown in Table 12.
Tabla 12: Caracterización de las etapas de ultrafiltración y nanofiltración, de la operación de filtración de la fracción líquida del primer fermentado, en el Ejemplo 2. Table 12: Characterization of the ultrafiltration and nanofiltration stages of the filtration operation of the liquid fraction of the first fermentation, in Example 2.
La segunda corriente clarificada 32a se sometió a una operación de concentración, por doble paso de osmosis inversa 41, en semejantes condiciones al Ejemplo 1. The second clarified stream 32a was subjected to a concentration operation, by double reverse osmosis step 41, under conditions similar to Example 1.
La corriente de concentrado de AGVs 40a fue sometida a una operación de extracción líquidolíquido 50, utilizándose en este caso octanoato de etilo como disolvente; y a la operación de destilación en cascada 62 a 64 que muestra en este este caso la Figura 3 para separar los diferentes tipos de AGVs, para el caso acético 101, propiónico 102, butírico 103 y valérico 104, obteniendo el perfil de la Tabla 13. The VFA concentrate stream 40a was subjected to a liquid-liquid extraction operation 50, using ethyl octanoate as solvent in this case; and to the cascade distillation operation 62 to 64 shown in this case in Figure 3 to separate the different types of VFA, in this case acetic 101, propionic 102, butyric 103 and valeric 104, obtaining the profile in Table 13.
Cabe reparar que antes de proceder con la operación de extracción líquido-líquido 50, se modificó sin embargo el pH de la corriente de concentrado de AGVs añadiendo 0,30 kg/d de HCl, al objeto de reducir los valores de pH a un valor objetivo próximo a 3. It should be noted that before proceeding with the liquid-liquid extraction operation 50, the pH of the VFA concentrate stream was modified by adding 0.30 kg/d of HCl, in order to reduce the pH values to a target value close to 3.
Tabla 13: Caracterización de los AGVs obtenidos, en el Ejemplo 2. Table 13: Characterization of the VFAs obtained in Example 2.
Por otra parte, como es característico del método, la fracción sólida 22 del primer fermentado obtenida por medio de la prensa filtro 21 se empleó como influente de un segundo reactor 71, en el Ejemplo 2 también junto con las corrientes de rechazo 31b y 32b de las etapas de ultrafiltración 31 y nanofiltración 32. En el Ejemplo 1, a los 470 kg de fracción sólida de la primera fermentación se le añadieron 114 kg/d de agua de rechazo de la UF, 217 kg/d deagua de rechazo de la NF y también 1462 kg/d del clarificado de la ósmosis 40b, para alcanzar un conveniente grado de humedad en este influente.On the other hand, as is characteristic of the method, the solid fraction 22 of the first fermentation obtained by means of the filter press 21 was used as influent of a second reactor 71, in Example 2 also together with the reject streams 31b and 32b of the ultrafiltration 31 and nanofiltration 32 stages. In Example 1, 114 kg/d of UF reject water, 217 kg/d of NF reject water and also 1462 kg/d of the osmosis clarification 40b were added to the 470 kg of solid fraction of the first fermentation, in order to achieve a suitable degree of humidity in this influent.
De esta segunda fermentación se obtuvo el segundo fermentado 72, cuyas propiedades que se muestran en la Tabla 14, y un biogás 82.From this second fermentation, the second fermented product 72 was obtained, whose properties are shown in Table 14, and a biogas 82.
Tabla 14: Caracterización del segundo fermentado, efluente del segundo reactor, en el Ejemplo 2. Table 14: Characterization of the second fermentation, effluent from the second reactor, in Example 2.
El balance de energía obtenido en el Ejemplo 2 se muestra en la Tabla 15. A partir de las corrientes residuales de los distintos procesos se obtuvieron 61 m3/d de biogás 82, con una concentración de metano del 60%. Un 20% de este biogás se destinó a un motor de cogeneración, de donde se obtuvieron 1,1 kW de energía eléctrica y 0,9 kW de energía calorífica. El 80% restante se destinó a la caldera 81, de donde se obtuvieron otros 10,9 kW de energía calorífica.The energy balance obtained in Example 2 is shown in Table 15. From the waste streams of the different processes, 61 m3/d of biogas 82 were obtained, with a methane concentration of 60%. 20% of this biogas was used for a cogeneration engine, from which 1.1 kW of electrical energy and 0.9 kW of heat energy were obtained. The remaining 80% was used for boiler 81, from which another 10.9 kW of heat energy were obtained.
Tabla 15: Balance de la energía CALORÍFICA consumida y generada en el ejemplo 2. Table 15: Balance of the HEAT energy consumed and generated in example 2.
Tabla 16: Balance de la energía eléctrica consumida y generada en el ejemplo 2. Table 16: Balance of electrical energy consumed and generated in example 2.
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BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2977138 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20240819 |
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FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20241204 |