Unidad VII_Energía de La Biomasa
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UNIDAD VII ENERGÍA DE LA BIOMASA
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Energias renovables
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UNIDAD VII
ENERGÍA DE LA BIOMASA
1. Introducción.
La biomasa ha sido el primer combustible empleado por el hombre y el principal
hasta los albores de la revolución industrial. Se utilizaba para cocinar, para calentar
el hogar, para la producción de cerámica, el desarrollo de la metalurgia y la
alimentación de las máquinas de vapor. Con la revolución industrial los
requerimientos de energía fueron cada vez mayores de tal manera que se necesito de
un combustible más poderoso así aparece el uso del carbón mineral como
combustible sustitutivo, a mediados del siglo XVIII. A partir de allí, se empezaron a
utilizar otras fuentes energéticas de mayor poder calorífico como los derivados el
petróleo y sus derivados.
Ilustración 7.1: Durante el periodo de la revolución industrial se relevó la utilización de la
biomasa en forma de carbón vegetal a un segundo lugar, después del carbón mineral; sin
embargo, esto no quiso decir que su uso fue relevado en su totalidad, pues como se ve
hasta nuestros días esta fuente energética es importante y quizás la única para muchos
grupos humanos.
Con el progresivo uso masivo de combustibles fósiles el aprovechamiento energético
de la biomasa fue disminuyendo continuamente, y en la actualidad se presenta en el
mundo un reparto muy desigual como fuente de energía primaria. Al mismo tiempo
que en los países desarrollados, la biomasa es la energía renovable más extendida y
que más se está promocionando, en muchos países en vías de desarrollo es la
principal fuente de energía primaria provocando problemas ambientales.
No obstante, en los últimos años el panorama energético mundial ha variado
notablemente. El elevado precio de los combustibles fósiles y los avances técnicos que
han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético de la
biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios, han causado que esta fuente de
energía renovable se empiece a considerar por las industrias como una alternativa,
total o parcial, a los combustibles fósiles, ayudando a la generación de empleos y la
reactivación de la economía en ciertas regiones rurales.
Para la mayoría de la población mundial, las formas más familiares de energía
renovable son las que provienen del sol y del viento. Sin embargo existen otras fuentes
de energía tal como lo es la biomasa (leña, carbón de leño, cascarilla de arroz), que
proveen un alto porcentaje de la energía consumida en el mundo (ver gráfico 7.1) y
tienen potencial para suplir mayores volúmenes de demanda energética.
- 75%: Combustibles fósiles
- 12%: Combustión de madera
- 6%: Energía hidráulica
- 5%: Energía nuclear
- 2%: Otros
Gráfico 7.1: Producción energética mundial.
Fuente: http://www.jmarcano.com/educa/curso/energia.html
Desde la prehistoria, la forma más común de utilizar la energía de la biomasa ha sido
por medio de la combustión directa: quemándola en hogueras a cielo abierto, en
hornos y cocinas artesanales e, incluso, en calderas; convirtiéndola en calor para
suplir las necesidades de calefacción, cocción de alimentos, producción de vapor y
generación de electricidad.
Como ya se dijo los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de procesos más
eficientes y limpios para la conversión de biomasa en energía; transformándola, por
ejemplo, en combustibles líquidos o gaseosos, los cuáles son más convenientes y
eficientes. Así aparte de la combustión directa, se pueden distinguir otros dos tipos de
procesos: el termo-químico y el bio-químico que se detallarán más adelante.
Ilustración 7.2: Biodigestor semicontinuo para el aprovechamiento energético de la
biomasa en forma artesanal.
Ilustración 7.3: Planta Danesa de Lintrup para la producción de biogás.
Fuente: : www.biofuels.dk/ Biogas_UK.htm
Como ya veremos las fuentes más importantes de biomasa son los campos forestales y
agrícolas pues en ellos se producen residuos (rastrojos) que normalmente son dejados
en el campo al consumirse sólo un bajo porcentaje de ellos con fines energéticos. En la
agroindustria, los procesos de secado de granos generan subproductos que son
usados para generación de calor en sistemas de combustión directa; tal es el caso del
bagazo de caña de azúcar, la cascarilla de café y la de arroz. Por otro lado, los centros
urbanos generan grandes cantidades de basura compuestas en gran parte, por
materia orgánica que puede ser convertida en energía, después de procesarla
adecuadamente.
2. Generalidades.
2.1. Concepto de energía de la biomasa.
La energía de la biomasa es aquella que se obtiene a través del procesamiento de la
misma a través de métodos directos o indirectos. La obtención de energía de la
biomasa puede tener como fines específicos la obtención de calor o energía eléctrica.
La energía de biomasa que procede de la madera, residuos agrícolas y estiércol,
continúa siendo la fuente principal de energía de las zonas en vías de desarrollo. En
algunos casos también es el recurso económico más importante, como en Brasil,
donde la caña de azúcar se transforma en etanol, y en la provincia de Sichuán, en
China, donde se obtiene gas a partir de estiércol. Existen varios proyectos de
investigación que pretenden conseguir un desarrollo mayor de la energía de biomasa,
sin embargo, la rivalidad económica que plantea con el petróleo es responsable de que
dichos esfuerzos se hallen aún en una fase temprana de desarrollo.
La energía que tiene la biomasa es energía captada del sol. Del total de la energía
solar que intercepta la tierra un 26% es reflejada por la atmósfera y un 4% por la
tierra; del 70% restante absorben un 24% la atmósfera, 14% el suelo y 32% los
océanos.
Mediante el fenómeno de la fotosíntesis el reino vegetal absorbe y almacena una parte
de la energía solar que llega a la tierra; las células vegetales utilizan la radiación
solar para formar compuestos orgánicos a partir de sustancias simples y del CO2
presente en el aire (Ver ilustración 7.5).
Ilustración 7.4: Esquema de la fotosíntesis.
El proceso de fotosíntesis globalmente puede considerarse que tiene una eficiencia
baja: solamente el 0,3 por ciento de la energía solar que reciben las hojas se convierte
en energía química almacenada en la planta, de acuerdo a una reacción química del
tipo:
6CO2 + 6H2O + Energía solar → C6H12O6 + 6O2 (7.1)
En la ecuación anterior se puede observar que la misma no es otra cosa que la síntesis
del azúcar, pero al mismo tiempo representa la típica expresión de la combustión
planteada en forma inversa.
De igual forma, el reino animal incorpora, transforma y modifica dicha energía. En
los procesos de transformación de la materia orgánica se generan residuos que
muchas veces no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricación
de productos que demanda el mercado, pero si pueden utilizarse como combustible en
diferentes aprovechamientos energéticos.
Para comprender la ventaja del uso de la biomasa como fuente alternativa de energía
es importante comprender el ciclo del carbono.
2.1.1. Ciclo del carbono.
Por medio de la fotosíntesis las plantas captan CO2 y fijan carbono; pero al mismo
tiempo los árboles en su respiración eliminan también al medio ambiente CO2.
Cuando los árboles mueren o se talan y dejan a la intemperie sufren un proceso de
descomposición que genera fundamentalmente CH4 y CO2 si el material producido por
fotosíntesis se lo emplea como combustible genera CO2 cuando la combustión es
completa, pero cuando la combustión es incompleta los gases de escape tienen un alto
grado de CO y CH4. En términos generales, puede observarse que quemar o dejar que
la biomasa forestal se descomponga produce sobre el medio ambiente el mismo efecto
en cuanto al balance de carbono.
Ilustración 7.5: Ciclo del carbono.
2.2. El recurso biomásico.
Se considera que la biomasa es una fuente renovable de energía porque como se
mencionó, su valor proviene del Sol. A través del proceso de fotosíntesis, la clorofila
de las plantas captura su energía, y convierte el dióxido de carbono (CO2) del aire y el
agua del suelo en carbohidratos, para formar la materia orgánica. Cuando estos
carbohidratos se queman, regresan a su forma de dióxido de carbono y agua,
liberando la energía que contienen.
En la figura 7.7 se muestran los contenidos de carbono en la biomasa existente en un
bosque primario. De esta forma, la biomasa funciona como una especie de batería que
almacena la energía solar.
Ilustración 7.6: Toneladas de carbono por hectárea en el bosque primario.
Entonces, se produce en forma sostenida o sea, en el mismo nivel en que se consume,
esa batería durará indefinidamente.
En este proceso de transformación de la materia orgánica se generan subproductos
que no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de
productos de mercado, pero que pueden utilizarse como combustible en diferentes
aprovechamientos energéticos.
Los recursos biomásicos incluyen cualquier fuente de materia orgánica, como
desechos agrícolas y forestales, plantas acuáticas, desechos animales y basura
urbana. Su disponibilidad varía de región a región, de acuerdo con el clima, el tipo de
suelo, la geografía, la densidad de la población, las actividades productivas, etc.; por
eso, los correspondientes aspectos de infraestructura, manejo y recolección del
material deben adaptarse a las condiciones específicas del proceso en el que se deseen
explotar.
2.2.1. Fuentes de biomasa.
Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren
un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la
agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas (ver ilustración 7.9),
se usan, generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la
generación de energía a gran escala, enfocados hacia la sustitución de combustibles
fósiles.
Los residuos agrícolas, como la leña y el carbón vegetal, han sido usados en procesos
tradicionales en los países en vías de desarrollo y a usos primarios en pequeña escala;
por ejemplo, la cocción de alimentos o las pequeñas actividades productivas como
panaderías, caleras, secado de granos, etc.
Ilustración 7.7: Principales fuentes de biomasa.
En la siguiente tabla se muestran los diferentes estados de la biomasa en función a la
fuente de la que procede así como sus características más resaltantes:
Tabla 7.1: Estados típicos de la biomasa.
2.2.2. Tipos de biomasa.
Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para
suministrar la demanda de energía, una de las clasificaciones más generalmente
aceptada es la siguiente:
2.2.2.1. Biomasa natural.
Es la que se produce espontáneamente en la naturaleza sin ningún tipo de
intervención humana. Los recursos generados en las podas naturales de un bosque
constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa.
La utilización de estos recursos requiere de la gestión de su adquisición y transporte
hasta la empresa lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.
Ilustración 7.8: La biomasa natural es la más abundante de todos los tipos de biomasa.
2.2.2.2. Biomasa residual seca.
Se incluyen en este grupo los subproductos sólidos no utilizados en las actividades
agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de
transformación de la madera y que, por tanto, son considerados residuos. Este es el
grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del
aprovechamiento industrial. Algunos ejemplos de este tipo de biomasa son la cáscara
de almendra, el orujillo, las podas de frutales, el serrín, etc.
Ilustración 7.9: Los residuos de la extracción de frutos secos es una forma de biomasa
residual seca.
2.2.2.3. Biomasa residual húmeda.
Son los vertidos denominados biodegradables: las aguas residuales urbanas e
industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines).
Ilustración 7.10: Los desechos orgánicos animales son biomasa de tipo húmeda.
2.2.2.4. Cultivos energéticos.
Son cultivos realizados con la única finalidad de producir biomasa transformable en
combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cynara cardunculus), el girasol cuando
se destina a la producción de biocarburantes, el miscanto, etc.
Ilustración 7.11: La palma aceitera, girasoles u otra planta con gran potencial energético
y aceitero y que son cultivadas solamente con este fin se denominan cultivos energéticos.
2.2.2.5. Biocarburantes o biocombustibles.
Aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasa residual
húmeda (por ejemplo reciclado de aceites para la producción de biodiesel) como de la
biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o en los cultivos energéticos
(colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales características y usos finales este tipo
de biomasa exige una clasificación distinta de las anteriores.
Ilustración 7.12: El biodiesel un biocombustible producto de la reacción química de acite y
reactivos. El biodiesel se utiliza como combustible puro en motores de combustión o en
mezcla con otros.
En la siguiente ilustración se muestra la clasificación de los diversos tipos de
biomasa:
Ilustración 7.13: Clasificación general de los tipos de biomasa.
2.2.3. Características de la biomasa.
2.2.3.1. Composición física y química.
Las características químicas y físicas de la biomasa determinan el tipo de combustible
o subproducto energético que se puede generar; por ejemplo, los desechos animales
producen altas cantidades de metano, mientras que la madera puede producir el
denominado “gas pobre”, que es una mezcla rica en monóxido de carbono (CO). Por
otro lado, las características físicas influyen en el tratamiento previo que sea
necesario aplicar.
Todas las formas de biomasa consisten en una parte orgánica, una inorgánica y
agua. En la combustión se quema la parte orgánica. La inorgánica influye en el
proceso de combustión y forma la ceniza o residuo sólido que queda después de la
combustión.
Los elementos químicos más importantes son carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno
(N), y azufre (S) y, en algunos casos, cloro (Cl). Además, contiene oxígeno (O), lo cual
no se determina directamente, sino que se calcula como diferencia entre el peso total y
la suma de los otros elementos, más la ceniza. La siguiente tabla muestra la
composición para varios tipos de biomasa. Se incluye el carbón mineral como punto
de comparación.
Tabla 7.2: Composición química de diferentes formas de biomasa.
Fuente: RWEDP (2002).
2.2.3.2. Contenido de humedad (H.R).
El contenido de humedad de la biomasa es la relación de la masa de agua contenida
por kilogramo de materia seca. Para la mayoría de los procesos de conversión
energética es imprescindible que la biomasa tenga un contenido de humedad inferior
al 30%.
Muchas veces, los residuos salen del proceso productivo con un contenido de humedad
muy superior, que obliga a implementar operaciones de acondicionamiento, antes de
ingresar al proceso de conversión de energía.Todos los combustibles contienen una
cantidad de agua, pero, para la biomasa, los niveles pueden ser altos; esto afecta el
valor calorífico y el proceso de combustión.
El contenido de humedad puede variar dependiendo del tipo de biomasa, el tiempo
entre su cosecha y su uso y la humedad atmosférica. Después de haberla cosechado,
paulatinamente ésta perderá la humedad hasta que se establezca un equilibrio con el
ambiente.
El valor de la humedad se puede indicar según sea en base seca o en base húmeda:
En base seca se define como la fracción del peso del agua dentro de la biomasa y el
peso del material seco, expresado como porcentaje.
En base húmeda es la fracción del peso del agua dentro de la biomasa y el peso
total del material.
El valor en base húmeda siempre es más bajo que en base seca, por lo que es muy
importante indicar el método aplicado. El siguiente gráfico muestra la variación del
valor calorífico para diferentes cifras del contenido de humedad.
Gráfico 7.2: Valor o poder calorífico en función de la humedad relativa.
Fuente: Leach and Gowen, 1987.
2.2.3.3. Porcentaje de cenizas.
El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia sólida no combustible por
kilogramo de material. En los procesos que incluyen la combustión de la biomasa, es
importante conocer el porcentaje de generación de ceniza y su composición, pues, en
algunos casos, ésta puede ser utilizada; por ejemplo, la ceniza de la cascarilla de
arroz es un excelente aditivo en la mezcla de concreto o para la fabricación de filtros
de carbón activado.
2.2.3.4. Poder calorífico.
El contenido calórico por unidad de masa es el parámetro que determina la energía
disponible en la biomasa. Su poder calórico está relacionado directamente con su
contenido de humedad.
Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustión debido a que
una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se aprovecha en
la reducción química del material.
Todas las formas de biomasa tienen un poder calorífico, el cual se expresa como la
cantidad de energía por unidad física; por ejemplo, joule por kilogramo. Esta es la
energía que se libera en forma de calor cuando la biomasa se quema completamente.
El poder calorífico se puede anotar de dos formas diferentes: bruto y neto.
El bruto se define como la cantidad total de energía que se liberaría vía combustión,
dividido por el peso.
El neto es la cantidad de energía disponible después de la evaporación del agua en la
biomasa; es decir, es la cantidad de energía realmente aprovechable, y siempre es
menor que el valor calorífico bruto.
Para madera completamente seca, la cantidad de energía por unidad de peso es más
o menos igual para todas las especies, con un promedio de valor calorífico bruto de 20
MJ/kg para madera de tronco. Los valores pueden variar ligeramente de este
promedio, según el contenido de ceniza: para ramas pequeñas, tienden a ser más
bajos y más variables (véase tabla 1.3) . Sin embargo, en la práctica, la humedad
relativa es el factor más importante que determina el valor calorífico.
Tabla 7.3: Poder calórico de algunas formas de biomasa.
Fuente: RWEDP (2002).
2.2.3.5. Densidad aparente.
Esta se define como el peso por unidad de volumen del material en el estado físico que
presenta, bajo condiciones dadas. Combustibles con alta densidad aparente favorecen
la relación de energía por unidad de volumen, requiriéndose menores tamaños de los
equipos y aumentando los períodos entre cargas.
Por otro lado, materiales con baja densidad aparente necesitan mayor volumen de
almacenamiento y transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir por
gravedad, lo cual complica el proceso de combustión, y eleva los costos del proceso.
2.2.4. Características energéticas de la biomasa.
En muchas ocasiones, la biomasa se elimina por ser molesta para la instalación que la
produce o porque entorpece las labores agrarias o ganaderas que la generan. Cuando
esto ocurre, se está desperdiciando una fuente de energía importante, basta recordar
que considerando que, por término medio, un kilogramo de biomasa permite obtener
3.500 kcal y que un litro de gasolina tiene aproximadamente 10.000 kcal, por cada
tres kilogramos que desperdiciamos de biomasa, se desaprovecha el equivalente a un
litro de gasolina.
Habitualmente, el contenido energético de la biomasa se mide en función del poder
calorífico del recurso, aunque para algunos de ellos, como es el caso de la biomasa
residual húmeda o de los biocarburantes, se determina en función del poder calorífico
del producto energético obtenido en su tratamiento. La siguiente tabla recoge el poder
calorífico superior y el poder calorífico inferior a distintos contenidos de humedad de
algunos de los recursos de biomasa más habituales.
Tabla 7.4: Contenido energético de algunos recursos englobados bajo el término biomasa
residual seca.
Por otra parte, como no se puede llevar a cabo la combustión directa de la biomasa
residual húmeda, su contenido energético puede determinarse en función del que
posee el biogás obtenido de su digestión anaerobia. La cantidad de biogás generado y
su contenido energético dependen de las características del sustrato tratado y de la
tecnología empleada, en la tabla 7.5 se muestra el potencial energético medio de
algunos recursos.
Tabla 7.5: Contenido energético de algunos recursos englobados bajo el término biomasa
residual húmeda.
Por último, en el caso de los biocarburantes, éstos presentan un P.C.I. ligeramente
inferior al de los combustibles fósiles tradicionales, aproximadamente el 10%.
2.2.5. Costos.
La estimación de los costos de inversión en cualquier sistema de conversión de
biomasa depende de tres factores fundamentales:
1. Volumen y tipo de biomasa.
El volumen determina el factor de escala del sistema y los procesos auxiliares;
mientras que el tipo y las características de la biomasa determinan los
tratamientos previo y posterior requeridos.
2. Proceso de conversión.
Éstos se establecen con base en el volumen y las características de la biomasa: de
la tecnología seleccionada depende el grado de complejidad del sistema.
3. Aplicación de la energía.
El uso final de la energía obtenida influye fuertemente en el costo total de la
instalación. En los casos en que el objetivo es la generación de calor, el equipo
auxiliar requerido se limita a los quemadores adecuados. Cuando el uso final es la
generación de electricidad, la complejidad y el número de equipos incrementan el
costo de inversión.
Dado que la biomasa se presenta en un amplio rango de volúmenes y características,
no es posible establecer costos de inversión exactos. Dependiendo del proceso de
conversión, los costos pueden ir desde unos cientos de dólares para el proceso
completo, hasta aproximadamente $2.000 por kW de potencia eléctrica instalada.
No obstante, en sistemas de pequeña y mediana escala, se puede obtener un período
simple de retorno inferior a cinco años, lo que hace atractivo el uso de biomasa como
sustituto de combustibles fósiles en procesos agroindustriales como el secado de
granos.
También debe considerarse que, en algunos procesos de tratamiento de biomasa como
en los rellenos sanitarios y en el tratamiento de aguas de beneficiado de café, por la
elevada producción de residuos, la reducción la contaminación cobra mayor
importancia que la rentabilidad económica de la conversión energética. En otras
palabras, estos procesos no tienen como objetivo la conversión energética, sino el
tratamiento de los desechos; la energía obtenida del proceso es un subproducto
aprovechable.
La siguiente tabla muestra algunos ejemplos de los costos de inversión en procesos de
conversión de biomasa en energía:
Tabla 7.6: Costos de inversión estimados para algunos procesos de conversión.
2.2.6. Aspectos ambientales.
El aprovechamiento de la biomasa como fuente de energía ofrece un amplio rango de
beneficios ambientales: puede contribuir a mitigar el cambio climático y el efecto
invernadero, reducir la lluvia ácida, prevenir la erosión de los suelos y la
contaminación de las fuentes de agua, reducir la presión provocada por la basura
urbana, enriquecer el hábitat de la vida silvestre y ayudar a mantener la salud
humana y estabilidad de los ecosistemas.
3. Ventajas y desventajas en el uso de la biomasa.
3.1. Ventajas.
El empleo energético de la biomasa presenta numerosas ventajas, no sólo para el
propietario de la instalación de aprovechamiento, también para el conjunto de la
sociedad.
En el primero de los casos, las ventajas mencionadas son fundamentalmente
económicas ya que se disminuye la factura energética al reducir la cantidad de
combustibles que se debe adquirir del exterior.
En el segundo de los casos, el uso de la biomasa presenta, al igual que ocurre con
otras energías renovables, numerosas ventajas medioambientales y socioeconómicas.
3.1.1. Ventajas ambientales del uso energético de la biomasa.
• Se considera que todo el CO2 emitido en la utilización energética de la
biomasa había sido previamente fijado en el crecimiento de la materia vegetal
que la había generado, por lo que no contribuye al incremento de su
proporción en la atmósfera y, por tanto, no es responsable del aumento del
efecto invernadero.
• La biomasa tiene contenidos en azufres prácticamente nulos,
generalmente inferiores al 0,1%. Por este motivo, las emisiones de dióxido de
azufre, que junto con las de óxidos de nitrógeno son las causantes de la lluvia
ácida, son mínimas.
• Por otra parte, el uso de biocarburantes en motores de combustión
interna supone una reducción de las emisiones generadas (hidrocarburos
volátiles, partículas, SO2 y CO).
• Por último, el empleo de la tecnología de digestión anaerobia para
tratar la biomasa residual húmeda además de anular su carga contaminante,
reduce fuentes de olores molestos y elimina, casi en su totalidad, los gérmenes
y los microorganismos patógenos del vertido. Los fangos resultantes del
proceso de digestión anaerobia pueden ser utilizados como fertilizantes en la
agricultura.
3.1.2. Ventajas socioeconómicas del uso energético de la biomasa.
• El aprovechamiento energético de la biomasa contribuye a la
diversificación energética, uno de los objetivos marcados por los planes
energéticos, tanto a escala nacional como europea.
• La implantación de cultivos energéticos en tierras abandonadas evita
la erosión y de gradación del suelo. La Política Agraria Comunitaria (PAC)
permite la utilización de tierras en retirada para la producción de cultivos no
alimentarios, como son los cultivos energéticos.
• El aprovechamiento de algunos tipos de biomasa (principalmente la
forestal y los cultivos energéticos) contribuyen a la creación de puestos de
trabajo en el medio rural.
3.2. Desventajas.
La utilización energética de la biomasa presenta, debido a sus características,
pequeños inconvenientes con relación a los combustibles fósiles:
• Los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los de
las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso.
• La biomasa posee menor densidad energética, o lo que es lo mismo,
para conseguir la misma cantidad de energía es necesario utilizar más
cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de almacenamiento sean, en
general, mayores.
• Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas
son más complejos y requieren unos mayores costes de operación y
mantenimiento (respecto a las que usan un combustible fósil líquido o
gaseoso). No obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más
automatizados que van minimizando este inconveniente.
• Los canales de distribución de la biomasa no está tan desarrollados
como los de los combustibles fósiles (sólo aplicable en el caso de que los
recursos no sean propios).
• Muchos de estos recursos tienen elevados contenidos de humedad, lo
que hace que en determinadas aplicaciones puede ser necesario un proceso
previo de secado.
A parte de las ventajas y desventajas de la biomasa, las principales razones o
justificaciones para el uso de la biomasa son las siguientes:
1. Disponer de una fuente de biomasa cercana a precios
razonables.
Las empresas que disponen en sus propias instalaciones de biomasa residual son las
que, con mayor facilidad, pueden plantearse la posibilidad de un aprovechamiento
energético puesto que se suele tratar de unos recursos con valor de mercado muy
bajo, pudiendo suponer incluso un coste el deshacerse de ellos.
Las empresas que no disponen de biomasa residual propia pueden adquirir ésta en el
mercado. Aunque todavía no del todo desarrolladas, ya existen cadenas de
distribución de estos recursos que permiten adquirirlos a un coste enormemente
competitivo frente a los tradicionales.
2. Tener unos consumos energéticos suficientes para que la
instalación sea rentable.
Mientras que para el aprovechamiento de algunos tipos de biomasa en la generación
de energía térmica cualquier tamaño de instalación suele ser rentable, en el caso de
producción de energía eléctrica o mecánica son necesarios unos consumos mucho más
elevados.
Ilustración 7.14: Vías de transformación de la biomasa en energía.
4. Sistemas para el aprovechamiento energético de la biomasa.
4.1. Procesos de conversión para la biomasa.
Como se ha visto hasta ahora, multitud de recursos quedan agrupados bajo el término
genérico “biomasa”. Esta enorme variedad unida a la capacidad de adaptación de las
tecnologías de aprovechamiento energético a los diferentes recursos existentes,
causan que, en la actualidad, muchas de las actividades industriales podrían
satisfacer toda o parte de su demanda energética con biomasa.
Ilustración 7.15: Procesos de conversión y formas de energía.
No obstante, para poder utilizar esta energía renovable es necesario cumplir dos
condiciones:
Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, tiene que ser
convertida en una forma más conveniente para su transporte y utilización. A menudo,
la biomasa es convertida en formas derivadas tales como carbón vegetal, briquetas,
gas, etanol y electricidad.
Las tecnologías de conversión incluyen desde procesos simples y tradicionales, como
la producción de carbón vegetal en hogueras bajo tierra; hasta procesos de alta
eficiencia como la dendro-energía y la cogeneración. A continuación se presentan los
procesos de conversión de biomasa más relevantes, los cuales se pueden clasificar en
tres categorías:
• Procesos de combustión directa.
• Procesos termo-químicos.
• Procesos bio-químicos.
4.1.1. Procesos físicos.
4.1.1.1. Densificación.
Esta se refiere al proceso de compactar la biomasa en “briquetas”, para facilitar su
utilización, almacenamiento y transporte. Las briquetas son para usos domésticos,
comerciales e industriales.
Ilustración 7.16: Planta para la elaboración de briquetas y briquetas elaboradas.
Fuente: webs.uvigo.es/lortiz/ planta%20piloto.htm
La materia prima puede ser aserrín, desechos agrícolas y partículas de carbón
vegetal, el cual se compacta bajo presión alta. La siguiente tabla muestra los métodos
desarrollados para la combustión directa de los residuos sólidos:
Tabla 7.7: Uso directo de deshechos sólidos.
4.1.2. Procesos termo-químicos.
Estos procesos transforman la biomasa en un producto de más alto valor, con una
densidad y un poder calorífico mayor, los cuales hacen más conveniente su utilización
y transporte.
Cuando la biomasa es quemada bajo condiciones controladas, sin hacerlo
completamente, su estructura se rompe en compuestos gaseosos, líquidos y sólidos
que pueden ser usados como combustible para generar calor y electricidad.
Dependiendo de la tecnología, el producto final es un combustible sólido, gaseoso, o
combustible líquido. El proceso básico se llama pirólisis o carbonización e incluye:
4.1.2.1. Combustión directa.
Esta es la forma más antigua y más común, hasta hoy, para extraer la energía de la
biomasa. Los sistemas de combustión directa son aplicados para generar calor, el
cual puede ser utilizado directamente, como por ejemplo, para la cocción de alimentos
o para el secado de productos agrícolas. Además, éste se puede aprovechar en la
producción de vapor para procesos industriales y electricidad. Las tecnologías de
combustión directa van desde sistemas simples, como estufas, hornos y calderas,
hasta otros más avanzados como combustión de lecho fluidizado.
Los procesos tradicionales de este tipo, generalmente, son muy ineficientes porque
mucha de la energía liberada se desperdicia y pueden causar contaminación cuando
no se realizan bajo condiciones controladas. Estos resultados se podrían disminuir
considerablemente con prácticas mejoradas de operación y un diseño adecuado del
equipo. Por ejemplo:
• Secar la biomasa antes de utilizarla reduce la cantidad de energía
perdida por la evaporación del agua y para procesos industriales.
• Usar pequeños pedazos de leña y atender continuamente el fuego
supliendo pequeñas cantidades resulta en una combustión más completa y, en
consecuencia, en mayor eficiencia.
Asimismo, equipos como los hornos se pueden mejorar con la regulación de la entrada
del aire para lograr una combustión más completa y con aislamiento para minimizar
las pérdidas de calor.
Con los equipos que en la actualidad existen en el mercado se pueden conseguir
rendimientos de combustión muy elevados, que pueden alcanzar hasta el 95% si se
acoplan equipos de recuperación de calor.
Los avances tecnológicos conseguidos, tanto en los sistemas de alimentación de la
biomasa como en los equipos de combustión, hacen que, en estos momentos, si se
dispone de biomasa y es necesario cubrir una demanda térmica en la empresa, los
equipos de combustión de biomasa sean tan eficientes, cómodos y competitivos como
los basados en combustibles fósiles.
En general, una planta de combustión de biomasa consta de los siguientes sistemas:
• Almacenamiento de combustible.
• Transporte y dosificación del combustible al equipo de combustión.
• Equipos y cámara de combustión.
• Caldera (vapor, agua caliente, aceite térmico).
• Recuperadores auxiliares de calor.
• Depuración de gases.
• Extracción de cenizas.
Ilustración 7.17: Esquema de una instalación para combustión de biomasa.
Existen diferentes tecnologías para llevar a cabo la combustión de la biomasa:
caldera de parrilla, cámara torsional, combustor en lecho fluido, etc.
En función de las características del recurso y de la demanda (energía a baja o a alta
temperatura y cantidad de la misma a suministrar) es más idóneo uno que otros pero
en todos los casos, los avances tecnológicos antes mencionados, proporcionan tanta
seguridad y confort como los sistemas basados en combustibles fósiles.
La combustión directa de la biomasa representa el método más sencillo y difundido
desde el pasado hasta el presente. Permite obtener calor para diferentes usos que van
desde domésticos (calefacción, cocción de alimentos, etc.) a industriales (calor de
proceso, vapor a través de una caldera, energía mecánica empleando el vapor en una
máquina).
La combustión directa se realiza en dispositivos tan rudimentarios como la
combustión en simples fogones, como hasta en sistemas muy sofisticados como
aquellos empleados en calderas de alto rendimiento.
Combustión en pila: es el sistema más ampliamente usado, consiste en la quema del
material sobre una grilla horizontal fija formándose con el combustible una pila
cónica dentro de un horno que generalmente es construido en material refractario.
Este sistema quema troncos de madera de longitud y diámetro variable; esto trae
aparejado un mal contacto entre el material y el aire dificultando la combustión,
como consecuencia de ello además se desperdicia combustible que pasa a formar
parte de las cenizas como carbón.
La mayor parte del aire necesario se inyecta por encima del combustible, mediante
toberas distribuidas en las paredes del horno. El combustible se alimenta mayormente
en forma manual. Estos sistemas no responden inmediatamente a los requerimientos
de cargas térmicas fluctuantes limitando su uso. La industria de la yerba mate
emplea estos sistemas de hornos en el zapecado y operación de secado de la misma.
Combustión en semipila: representa un avance importante frente al sistema clásico en
pila; la combustión se realiza sobre grillas inclinadas y por lo general refrigeradas
que permiten una mayor vida útil de las mismas y elevadas temperaturas de aire por
debajo de ellas. Estas parrillas a su vez pueden ser fijas o móviles. En los grandes
generadores de vapor o cuando el contenido de cenizas del combustible es superior al
5% la grilla presenta en su tramo final un sector volcable que facilita la limpieza.
Cuando los contenidos de ceniza son inferiores al 5% la grilla es refrigerada por tubos
de agua que pasan por debajo de la misma y forman parte del circuito de la caldera;
el aire primario para la combustión se inyecta hasta temperaturas del orden de los
300ºC en estos sistemas.
La alimentación de combustible es por lo general automática en espesores sobre la
grilla que van de los 50 cm en la parte alta hasta 1 metro en la parte baja. Los trozos
de madera quedan limitados a no más de 20 cm; debiendo reducirse previamente el
tamaño de la misma para su utilización eficiente para la combustión en lecho
compacto. Se admite que el material posea humedades superiores al 55%.
En este tipo de lecho se distinguen tres regiones sobre la grilla:
• Región de secado.
• Región de volatilización o destilación.
• Región de combustión del carbono fijo.
Cuando el combustible es fino, se produce una combustión en semi-suspensión o lecho
delgado en la que las partículas más finas se queman en suspensión y las más gruesas
sobre la grilla. La humedad del combustible no debe superar el 55%.
Combustión en lecho fluidizado: este sistema es empleado para la generación de
vapor en calderas por encima de las 200 toneladas por hora de vapor. Requieren que
el material sea seco y muy fino; la combustión se realiza en su totalidad en suspensión
y el material se quema antes de llegar a la zona de la grilla. Esta tecnología
representa el desarrollo más reciente en lo que hace a dispositivos para la combustión
de material biomásico.
4.1.2.2. Gasificación.
Tipo de pirólisis en la que se utiliza una mayor proporción de oxígeno a mayores
temperaturas, con el objetivo de optimizar la producción del llamado “gas pobre”,
constituido por una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y metano, con
proporciones menores de dióxido de carbono y nitrógeno.
Este se puede utilizar para generar calor y electricidad, y se puede aplicar en equipos
convencionales, como los motores de diesel. La composición y el valor calorífico del
gas dependen de la biomasa utilizada, como por ejemplo: madera, cascarilla de arroz,
o cáscara de coco. Existen diferentes tecnologías de gasificación y su aplicación
depende de la materia prima y de la escala del sistema.
La gasificación tiene ciertas ventajas con respecto a la biomasa original:
• El gas producido es más versátil y se puede usar para los mismos
propósitos que el gas natural.
• Puede quemarse para producir calor y vapor y puede alimentar
motores de combustión interna y turbinas de gas para generar electricidad.
• Produce un combustible relativamente libre de impurezas y causa
menores problemas de contaminación al quemarse. Sin embargo, la operación
de gasificación es más complicada.
Cuando se desea generar energía térmica y/o eléctrica con biomasa, ésta se puede
introducir en equipos en los que por la acción del calor y la carencia de oxígeno
producen, al descomponer térmicamente el recurso, un gas combustible que puede
emplearse de forma similar a como se utilizan el gas natural u otros combustibles
gaseosos tradicionales.
Estos equipos presentan la ventaja de que poseen, cuando se trabaja con potencias
reducidas o con potencias muy elevadas, mayor rendimiento que los sistemas de
combustión, por lo que en esos casos pueden ser mucho más adecuados.
Aproximadamente, una planta de gasificación consta de los mismos sistemas que una
planta de combustión salvo que la caldera se sustituye por el gasificador y el sistema
de limpieza del gas. A continuación se presenta el esquema de una planta de
gasificación:
Ilustración 7.18: Central de gasificación integrada con ciclo combinado.
Como ocurre con la combustión, existen diferentes tecnologías de gasificación de un
recurso, gasificador de corrientes paralelas, gasificador en contracorriente,
gasificador de lecho fluido, etc. En función de las características del combustible y del
destino del gas generado es más conveniente un tipo de aplicación u otro.
Ilustración 7.19: Gasificación, productos y usos.
La gasificación de carbón y leña tiene sus orígenes hace más de cien años, alcanzando
un nivel de desarrollo y aplicación importante durante la Segunda Guerra Mundial.
Actualmente existen numerosos emprendimientos de utilización de la gasificación
para usos industriales y rurales, encontrándose también muchos grupos de
investigación en el tema en importantes universidades y Organizaciones no
Gubernamentales comprometidas con el Medio Ambiente y Desarrollo Social.
En la ilustración anterior se presenta esquemáticamente los productos de la
gasificación y sus posibles usos.
4.1.2.3. Pirólisis.
Este proceso es la forma más común de la conversión termo-química de temperatura
mediana. La biomasa se quema con una disponibilidad restringida de aire, lo cual
impide que la combustión sea completa.
El residuo sólido se usa como carbón vegetal, el cual tiene mayor densidad energética
que la biomasa original, no produce humo y es ideal para uso doméstico. Usualmente,
este carbón es producido de la madera, pero también se usan otras fuentes como
cáscara de coco y algunos residuos agrícolas.
La forma más antigua, y probablemente aún la más empleada para producirlo, son
los hornos de tierra y los de mampostería. El primero es una excavación en el terreno
en la que se coloca la biomasa, la cual es luego cubierta con tierra y vegetación para
prevenir la combustión completa. Los segundos son construidos de tierra, arcilla y
ladrillo.
Ilustración 7.20: Horno de tierra para la obtención de carbón vegetal.
Los hornos modernos son conocidos como retortas y fabricados en acero; conllevan
cierta complejidad por su diseño y operación, lo que incrementa considerablemente
los costos de inversión en comparación con los tradicionales, pero eleva su eficiencia y
capacidad de producción, así como la calidad del producto.
4.1.3. Procesos bio - químicos.
Estos procesos utilizan las características bio-químicas de la biomasa y la acción
metabólica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y
líquidos.
Son más apropiados para la conversión de biomasa húmeda que los procesos termo-
químicos. Los más importantes son:
4.1.3.1. Digestión anaeróbica.
La digestión de biomasa humedecida por bacterias en un ambiente sin oxígeno
(anaeróbico) produce un gas combustible llamado biogás. En el proceso, se coloca la
biomasa (generalmente, desechos de animales) en un contenedor cerrado (el digestor)
y allí se deja fermentar; después de unos días, dependiendo de la temperatura del
ambiente, se habrá producido un gas, que es una mezcla de metano y dióxido de
carbono.
La materia remanente dentro del digestor es un buen fertilizante orgánico. Los
digestores han sido promovidos fuertemente en China e India para usos domésticos en
sustitución de la leña. También se pueden utilizar aguas negras y mieles como
materia prima, lo cual sirve, además, para tratar el agua.
La biomasa residual húmeda, o lo que es lo mismo, las aguas residuales de origen
orgánico, es aquella que aparece como resultado de la actividad humana en
instalaciones agropecuarias, urbanas e industriales y que, por su contenido en agua y
materia orgánica, puede ser tratada mediante un proceso biológico.
Estos procesos biológicos permiten el aprovechamiento del potencial energético de
este tipo de biomasa, disminuyen su carga contaminante y generan subproductos
estabilizados con valor fertilizante. De todos los procesos, el compostaje y la digestión
anaerobia son los más empleados y ya se encuentran a escala comercial.
En este proceso la materia orgánica del residuo, en ausencia de oxígeno, se degrada o
se descompone por la actividad de unos microorganismos específicos
transformándose en un gas de alto contenido energético o “biogás” y en otros
productos que contienen la mayor parte de los componentes minerales y compuestos
de difícil degradación que en ocasiones se denominan “fangos”.
Ilustración 7.21: Esquema de una planta de digestión anaerobia para producción de
biogás.
El biogás, cuyos componentes principales son el metano y el anhídrido carbónico,
puede emplearse para producir energía térmica, eléctrica o en sistemas de
cogeneración.
El metano es el componente que confiere el valor energético a este gas, 1 m3 de biogás
con un 60 % de metano tiene un poder calorífico próximo a las 5.500 kcal.
Para que el proceso tenga lugar con la máxima eficiencia se deben controlar una serie
de factores como el pH, la alcalinidad, la acidez volátil, la temperatura, los nutrientes,
los inhibidores y los tiempos de residencia.
Existen en la actualidad diferentes sistemas para llevar a cabo este proceso. Estas
tecnologías se clasifican en función el sistema de carga utilizado y el estado de la
biomasa bacteriana existente dentro del digestor. La implantación de una tecnología
u otra depende principalmente de las características del vertido a tratar.
Tabla 7.8: Composición del biogás.
El biogás como fuente de combustible también puede ser obtenido en la siguiente
forma:
Gas de rellenos sanitarios.
Se puede producir un gas combustible de la fermentación de los desechos sólidos
urbanos en los rellenos sanitarios. Este es una mezcla de metano y dióxido de
carbono.
La fermentación de los desechos y la producción de gas es un proceso natural y
común en los rellenos sanitarios; sin embargo, generalmente este gas no es
aprovechado.
Además de producir energía, su exploración y utilización reduce la contaminación y el
riesgo de explosiones en estos lugares y disminuye la cantidad de gases de efecto
invernadero.
Actualmente, la combustión directa es el proceso más aplicado para usos energéticos
de este tipo de biomasa. A continuación se muestra el esquema de una central
generadora de energía a partir de la incineración de residuos sólidos urbanos:
Ilustración 7.22: Central incineradora de residuos sólidos urbanos.
Procesos más avanzados como la gasificación y la digestión anaeróbica han sido
desarrollados como alternativas más eficientes y convenientes, y para facilitar el uso
de la biomasa con equipos modernos. Sin embargo, hasta la fecha, la aplicación de
estos últimos no es tan común por tener un costo más alto y la complejidad de su
aplicación.
4.1.3.2. Combustibles alcohólicos.
De la biomasa se pueden producir combustibles líquidos como etanol y metanol. El
primero se produce por medio de la fermentación de azúcares y, el segundo por la
destilación destructiva de madera. Esta tecnología se ha utilizado durante siglos para
la producción de licores y, más recientemente, para generar sustitutos de
combustibles fósiles para transporte, particularmente en Brasil. Estos combustibles se
pueden utilizar en forma pura o mezclados con otros, para transporte o para la
propulsión de máquinas.
4.1.3.3. Biodiesel.
A diferencia del etanol, que es un alcohol, el biodiesel se compone de ácidos grasos y
ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y grasas recicladas.
A partir de un proceso llamado “transesterificación”, los aceites derivados
orgánicamente se combinan con alcohol (etanol o metanol) y se alteran químicamente
para formar ésteres grasos como el etil o metilo éster. Estos pueden ser mezclados con
diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes. Un sistema de
producción de Fuente: biodiesel es como se muestra a continuación:
Ilustración 7.23: Esquema para la producción de biodiesel.
Fuente: Cortesía de P.R.A.D.O S.L – Consultores.
En la siguiente tabla se muestra una distribución de los procesos de conversión
aplicables, de acuerdo con las características y el tipo de biomasa, así como los
posibles usos finales de la energía convertida:
Tabla 7.9: Procesos de conversión de biomasa en energía.
4.2. Utilización y aplicaciones con fines energéticos de la biomasa.
Aplicando los diferentes procesos de conversión, la biomasa se puede transformar en
diferentes formas de energía:
4.2.1. Calor y vapor.
Es posible generar calor y vapor mediante la combustión de biomasa o biogás. El
calor puede ser el producto principal para aplicaciones en calefacción y cocción, o
puede ser un subproducto de la generación de electricidad en ciclos combinados de
electricidad y vapor.
4.2.2. Combustibles gaseosos.
El biogás producido en procesos de digestión anaeróbica o gasificación puede ser
usado en motores de combustión interna para generación eléctrica, para calefacción
y acondicionamiento en el sector doméstico, comercial e institucional y en vehículos
modificados.
Ilustración 7.24: Central de gasificación integrada con ciclo combinado.
4.2.3. Biocombustibles.
La producción de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el potencial para
reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en muchas aplicaciones
de transporte. El uso extensivo de etanol en Brasil ha demostrado, durante más de 20
años, que los biocombustibles son técnicamente factibles a gran escala.
Ilustración 7.25: Económica Planta Batch de Biodiesel de proceso continuo y sencilla
construcción con pequeñas producciones de hasta 10.000 toneladas al año sin
mantenimiento especializado. El Biodiesel es biodegradable en 3 semanas, renovable,
seguro con punto de inflamación a 150 ºC y baja toxicidad. No agota los Recursos
Naturales, aumenta la vida de los motores y no requiere ninguna modificación,
pudiéndose usar alternativamente con el fósil.
Fuente: www.estanciaitati.com.ar/ proyectosbiodiesel.htm
En los Estados Unidos y Europa su producción está incrementándose y se están
comercializando mezclados con derivados del petróleo. Por ejemplo, la mezcla
denominada E20, constituida 20% de etanol y 80% de petróleo, resulta aplicable en la
mayoría de motores de ignición.
Actualmente, este tipo de combustible es subsidiado por los gobiernos, pero, en el
futuro, con el incremento en los cultivos energéticos y las economías de escala, la
reducción de costos puede hacer competitiva su producción.
4.2.4. Electricidad.
La electricidad generada a partir de los recursos biomásicos puede ser
comercializada como “energía verde”, pues no contribuye al efecto invernadero por
estar libre de emisiones de dióxido de carbono (CO2). Este tipo de energía puede
ofrecer nuevas opciones al mercado, ya que su estructura de costos permitirá a los
usuarios soportar mayores niveles de inversión en tecnologías eficientes, lo cual
incrementará la industria bioenergética.
En función del tipo y cantidad de biomasa disponible varía la tecnología más
adecuada a emplear para este fin:
Tabla 7.10: Sistemas de generación de energía eléctrica con biomasa. Generalidades.
5. Biodiesel.
5.1. Generalidades.
5.1.1. Definición.
Se define como un éster monoalquílico de ácidos grasos de origen vegetal o animal,
empleado como combustible en motores diesel al 100 %, o como aditivo del diesel de
petróleo. (Ing. Quím. Carlos Büttner, Ms. De Sc Procesos Químicos, Director Titular
de Hardy S.A.)
El biodiesel es un combustible liquido muy similar en propiedades al aceite diesel,
pero obtenido a partir de productos renovables, como son los aceites vegetales y las
grasas animales.
Comúnmente se refiere como biodiesel al éster producido en la transesterificación de
un aceite vegetal (mezclas de triglicéridos de diferentes ácidos grasos), con un alcohol
(generalmente etanol ó metanol), utilizándose como catalizador NaOH ó KOH.
En Europa, el biodiesel es producido principalmente a partir del aceite de la semilla
de canola (también conocida como colza o rapeseed) y el metanol, denominado
comercialmente como RME (Rapeseed Methyl Ester), el cual es utilizado en las
máquinas diesel puro o mezclado con aceite diesel, en proporciones que van desde un
5% hasta un 20%, generalmente. En Alemania y Austria se usa puro para máximo
beneficio ambiental.
Además de la colza, en los últimos años se ha producido biodiesel a partir de soya,
girasol y palma, siendo esta última la principal fuente vegetal utilizada en Malasia
para la producción de biodiesel PME y PEE (Palm Methyl Ester y Palm Ethyl Ester).
El biodiesel puro es biodegradable, no tóxico y esencialmente libre de azufre y
compuestos aromáticos, sin importar significativamente el alcohol y el aceite vegetal
que se utilice en la transesterificación.
5.1.2. Principales Emisiones del Aceite Diesel
El aceite diesel o ACPM (Aceite Combustible Para Motores Diesel), es un destilado
medio obtenido en la destilación atmosférica del petróleo crudo, en tal forma que su
índice de cetano, el cual mide la calidad de ignición, sea de 45 como mínimo.
Las principales emisiones generadas por los sistemas de compresión - ignición
(máquinas diesel), son :
1. Hidrocarburos (HC).
2. Oxidos de Nitrógeno (NOx).
3. Monóxido de Carbono (CO)
4. Partículas (Pt) Ø.
5. Oxidos de Azufre (SOx).
6. Dióxido de Carbono (CO2).
5.2. Métodos para la obtención de biodiesel.
Existen tres métodos actualmente desarrollados:
1. Pirólisis.
2. Microemulsiones.
3. Transesterificacion.
En este manual solo se desarrollará el método de transesterificación, por ser el de
más difusión, simplicidad y económico.
5.2.1. Método de transesterificación.
El método de transesterificación es el método más difundido y el más utilizado,
consiste en que los aceites orgánicos son combinados con un alcohol y alterados
químicamente para formar un éster etílico o metílico, el cual recibe finalmente el
nombre de biodiesel.
Estas moléculas resultantes están compuestas por un ácido graso de cadena larga y
un alcohol. Para detalles véase las siguientes ilustraciónes:
Ilustración 7.26: Fórmula química del proceso de transesterificación.
El principal motivo por el cual los aceites vegetales no se pueden utilizar
directamente como combustibles en los motores diesel es la viscosidad. El
procedimiento químico recomendado para disminuir la viscosidad a los
aceites se denomina transesterificación.
En un contexto más amplio, la transesterificación, es un proceso químico, en el cual
utilizando un alcohol (metanol ó etanol) en presencia de un catalizador, se rompe
químicamente la molécula del triglicérido, reemplazando los glicéridos del aceite por
el alcohol, formando un éster graso y obteniendo glicerol como subproducto.
En la siguiente ilustración se muestran las fases del proceso de transesterificación:
Ilustración 7.27: Proceso general de transesterificación.
Las moléculas lineales del éster resultante reciben el nombre de biodiesel y están
formadas por el éster del ácido graso y el alcohol. Estas moléculas tienen menor
viscosidad, menor masa molecular, menor intervalo de ebullición y menor punto de
inflamación que el triglicérido original.
Además, el biodiesel tiene propiedades físicas y químicas similares a las del diesel
convencional, lo que permite que pueda emplearse directamente en cualquier motor
diesel sin necesidad de realizar modificaciones en el motor, el sistema de encendido, ni
en los inyectores de combustible.
El biodiesel es el único combustible alternativo que puede aprovecharse
de manera directa en los equipos existentes, evitando así la necesidad de
hacer inversiones en modificaciones o de introducir tecnologías nuevas
para su aprovechamiento.
Los usuarios pueden consumir el biodiesel utilizando los mismos equipos
que normalmente emplean, tales como motores, motobombas, grupos
electrógenos u otros.
El biodiesel también se puede utilizar como aditivo del diesel, mezclado en
cualquier proporción, dependiendo del costo del combustible y del efecto
deseado.
A continuación se muestra un esquema del proceso mencionado:
Ilustración 7.28: Forma de producción de biodiesel a partir de fuentes animales y
vegetales.
5.2.2. Procesos para la producción de biodiesel.
5.2.2.1. Proceso discontinuo (Bath).
Ilustración 7.29: Esquema de un proceso discontinuo para la producción de biodiesel
5.2.2.2. Proceso continuo.
Ilustración 7.30: Esquema de un proceso continuo para la producción de biodiesel
5.2.3. Método de preparación de biodiesel a pequeña escala.
1. El aceite vegetal se calienta hasta unos 50°C.
2. En otro depósito, se mezcla el metanol con el hidróxido de sodio, se agita y
revuelve hasta que desaparezcan los copos. La mezcla resultante, metóxido de
sodio, debe ser ligeramente turbia.
3. El metóxido de sodio se agrega al aceite caliente mientras se agita con fuerza
pero con mucho cuidado, usando una batidora manual o eléctrica o un taladro
eléctrico con una hélice. Se debe mezclar durante 30 a 50 minutos. La mezcla
primero se espesa y luego llega a ponerse más ligera que el aceite original.
4. Se deja que la mezcla sedimente por un día o más en un recipiente alto y
delgado. El biodiesel flotará en la parte superior y puede ser vaciado a otro
recipiente. La glicerina y el jabón quedarán en el fondo del depósito. Pueden
ser desechados o utilizados como subproductos.
5. El biodiesel limpio contiene pequeñas cantidades de jabón, pero si se quiere
probar en el motor de un vehículo no debe causar problemas. Cuando se
fabrica en gran escala, es necesario remover el jabón mediante lavado y
filtrado del biodiesel.
5.2.4. Parámetros de control del biodiesel
A. Viscosidad:
La viscosidad puede considerarse como el rozamiento interno de un fluido.
Debido a la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para hacer que una capa
líquida se deslice sobre otra, o para hacer que una superficie se deslice sobre otra
cuando hay una capa de liquido entre ambas.
B. Punto de inflamación:
Es la menor temperatura a la cual una mezcla del combustible con aire es inflamable.
Importante para determinar medidas de seguridad al trabajar con este combustible.
Se puede determinar calentando un poco del combustible y manteniendo una llama
por encima.
Midiendo la temperatura del aceite, se puede determinar en qué punto los vapores se
empiezan a inflamar.
C. Punto de fluidez:
Es la temperatura a la cual se empiezan a formar cristales en el diesel, impidiéndole
fluir en el motor. Importante si se trabaja en climas fríos.
Puede ser estimado visualmente usando un termómetro y un refrigerador,
encontrando la temperatura a la cual se empiezan a formar cristales en el
combustible.
D. Número de cetano:
Sirve para calificar las propiedades de ignición del diesel. A mayor número de cetano,
mayor eficiencia del combustible.
E. Poder calorífico:
Mide la energía disponible en el combustible. Interesante para compararlo con el
diesel convencional.
F. Contenido de sulfuro:
Para evaluación de la reducción de contaminación (se supone que el biodiesel no tiene
azufre).
G. Potencial de hidrógeno (pH):
Puede indicar eficiencia del lavado. Medida instrumental o con papel pH.
H. Índice de yodo:
Misma importancia que con los aceites. Determinación química.
I. Índice de acidez:
Muestra la eficiencia del proceso, al evidenciar ácidos grasos libres (sin reaccionar).
J. Agua y sedimentos:
Importante para determinar si el producto tiene impurezas. Indica deficiencias en el
lavado y/o filtrado.
K. Glicerina total y libre:
Indica eficiencia de la separación.
L. Ceniza:
Indica eficiencia del proceso. Las cenizas provienen de impurezas, como puede ser
catalizador sin reaccionar.
5.3. Ventajas y desventajas en el uso del biodiesel.
5.3.1. Ventajas en el uso del biodiesel.
• Una de las ventajas importantes del biodiesel es que prácticamente no
contiene sulfuros. Reducir los niveles de sulfuro en los combustibles es un
método para mejorar la lubricidad y disminuir las partículas sólidas emitidas
por los motores diesel, con lo cual se incrementa la vida de los motores. El uso
del biodiesel ayuda a extender la vida de los motores; utilizándolo en mezclas,
mejora notablemente la lubricidad del diesel convencional.
• El biodiesel prácticamente no es tóxico, tanto en los peces como en los
mamíferos en caso de ingestión. El impacto en la salud humana es un criterio
importante cuando se considera la idoneidad de un combustible para
aplicaciones comerciales. La sal común (NaCl) es aproximadamente diez veces
más tóxica. En cuanto a la toxicidad acuática, ésta es insignificante. Se
requieren concentraciones altísimas en el agua, mayores a 1000 mg/l, para
llegar a niveles letales. Por ello el biodiesel es bastante inofensivo para la
fauna acuática.
• Además, el biodiesel es altamente biodegradable en el agua. Estas
características convierten al biodiesel en el combustible ideal para
embarcaciones fluviales, especialmente en zonas acuáticas sensibles y/o
protegidas. Los combustibles fósiles están muy relacionados con el tema de la
contaminación del agua; desde los derrames petroleros en océanos, pasando
por la contaminación del agua del subsuelo debido a los tanques subterráneos
hasta llegar a la contaminación de los lagos y ríos debido a las fugas de
combustible de los motores de las embarcaciones. El uso del biodiesel puede
ayudar a proteger y mejorar la calidad del agua en diversos ambientes.
• Algunos de los atributos más beneficiosos del biodiesel son los referidos
a las emisiones de gases, especialmente de CO2. El biodiesel emite menos CO2
en su ciclo de vida que el fijado mediante el proceso de fotosíntesis por las
plantas usadas para producirlo. Reemplazando el diesel con biodiesel se puede
ayudar a combatir uno de los principales efectos del uso de combustibles
fósiles: el problema del cambio climático.
• En lo referente a los gases contaminantes de la atmósfera, el biodiesel
reduce substancialmente la emisión de la mayoría de éstos agentes. Al ser un
combustible oxigenado, el biodiesel tiene una combustión más completa que el
diesel, mejorando la composición de las emisiones. La combustión del biodiesel
produce menos humo visible y menos olores nocivos que el diesel derivado del
petróleo.
• El aprovechamiento del biodiesel puede contribuir a disminuir la polución del
aire y los riesgos a la salud pública relacionados con ella. Este combustible es
excelente para usarse en ambientes frágiles, como estuarios, lagos, ríos y
parques nacionales o ciudades altamente contaminadas.
5.3.2. Desventajas y/o inconvenientes en el uso del biodiesel.
• Composición corrosiva ante elementos fabricados de caucho
(mangueras, empaquetaduras, retenes, etc.), pintura, pegamentos, ó
elementos fabricados de aluminio.
• A bajas temperaturas forma cristales que pueden obstruir los ductos de
circulación.
• Costos de producción relativamente más elevados que el DIESEL.
5.4. Producción de metano o productividad metanoica.
La producción de metano o productividad metanoica se define como la cantidad de
gas metano a obtener por la fermentación anaeróbica de una determinada cantidad
de materia dispuesta en un bioreactor o digestor. Según el Dr. Weiland. P, la
expresión matemática que permite una determinación aproximada de este parámetro
es la siguiente:
CH4max
org -total
VM =S
(7.2)
Donde:
• V CH4 es el volumen de metano generado.
• S org total es la cantidad de materia orgánica total utilizado en todo el
proceso.
El Dr Schulz H. (1996) llevó a cabo un gran número de experiencias, con el fin de
contar con mayor información sobre la duración de la digestión, que permita el
agotamiento de los sólidos volátiles, trabajando a diferentes temperaturas, según se
presenta en el siguiente gráfico:
Gráfico 7.3: Total de metano producido en función del tiempo de retención y a diferentes
temperaturas.
Este gráfico muestra la cantidad total de gas metano producido por kilogramo de
materia, para diferentes temperaturas. Respecto a esta serie de curvas, se observa
que, conforme se incremente la temperatura, la conversión de materia orgánica en
biogás aumenta.
En todos los casos, la forma de las curvas se asemeja a la de una función exponencial,
a medida que aumenta el valor del tiempo, la curva crece hasta un “t” determinado
para el cual la generación de gas permanece constante.
La fórmula matemática propuesta que permita reconstruir la curva que describe la
producción de metano en función del tiempo, debe cumplir las siguientes condiciones:
• La forma de la curva corresponde a una función exponencial.
• La degradación de la materia responde a una función exponencial.
• La expresión propuesta cumple con las siguientes condiciones iniciales:
Cuando t = 0, la producción de metano es nula.
Cuando t = infinito, la producción de metano toma el máximo valor posible, es decir,
la máxima cantidad de metano que puede generar el resto orgánico que se encuentra
dentro del fermentador.
En el caso en cuestión esta ecuación puede expresarse de la siguiente manera:
( )1t
Agen maxM = M e
−⋅ − (7.3)
Donde:
• M gen es la cantidad de metano generado durante el proceso de fermentación.
• M max es la máxima cantidad de metano que puede producir un determinado
elemento.
• t es el tiempo considerado.
• A es una constante que depende de la temperatura de trabajo, el contenido de
materia orgánica existente en el producto que se degrada, etc.
La variedad de microorganismos que intervienen, sus actividades a la vez
complementarias e inhibidoras unas de otras, la diversidad posible de los
constituyentes del sustrato, hacen bastante más difícil la conducta óptima de la
fermentación y, por tanto, de la producción de metano. Además, existen otros
parámetros, internos y externos que intervienen en el desarrollo del proceso.
5.5. Metano.
Es un tipo de gas específico, con propiedades químicas y fisicoquímicas propias, es el
componente energético útil del biogás.
El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo, es un gas. Su fórmula química es
CH4, la cual puede ser representada por:
Ilustración 7.31: Estructura química del metano.
Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace
covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas
y presiones ordinarias. Es incoloro y apenas soluble en agua en su fase líquida.
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las
plantas, este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás.
Puede constituir hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le denomina
grisú y es muy peligroso por su facilidad para inflamarse.
5.5.1. Fuentes de metano.
Los orígenes principales de metano son:
• Descomposición de los residuos orgánicos.
• Fuentes naturales (pantanos): 23%.
• Extracción de combustibles fósiles: 20% (El metano tradicionalmente se
quemaba y emitía directamente. Hoy día se intenta almacenar en lo posible
para reaprovecharlo formando el llamado gas natural).
• Los procesos en la digestión y defecación de animales. 17%
(Especialmente del ganado).
• Las bacterias en plantaciones de arroz: 12%.
• Combustión anaeróbica de la biomasa.
5.5.2. Propiedades.
En la siguiente tabla se muestran las características generales del metano:
PROPIEDADES GENERALES
Fórmula química CH4
Peso atómico 16.04 uma
Otras
denominaciones Gas del pantano; Hidruro de metilo
CAS number 74-82-8
Poder calorífico: 12 Kcal/g
Calorías por
gramo de CO2 4,5 Kcal
CAMBIOS DE FASE
Punto de fusión 90.6 ºK (-182.5°C)
Punto de
ebullición 111.55 ºK (-161.6°C)
Punto triple 90.67ºK(-182.48°C)
0.117 bar
Punto crítico 190.6ºK(-82.6°C)
46 bar
∆fusH 1.1 kJ/mol
∆vapH 8.17 kJ/mol
PROPIEDADES DEL GAS
∆fH0gas -74.87 kJ/mol
∆fG0gas -50.828 kJ/mol
S0gas 188 J/mol·K
Cm 35.69 J/mol·K
SEGURIDAD
Efectos agudos Asfixia; en algunos casos inconsciencia, ataque cardiaco o lesiones cerebrales. El compuesto se
transporta como líquido criogénico. Su exposición causará obviamente la congelación.
Efectos crónicos ???
Tabla 7.11: Características generales del metano.
Flash point -188°C
Temperatura de autocombustión 600°C
Límite explosivos 5-15%
Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
Tabla 7.11: Características generales del metano (continuación)
5.5.3. Obtención.
5.5.3.1. A partir del gas natural.
Está compuesto por hidrocarburos muy bajos, desde C1 a C8 aproximadamente. Los
porcentajes máximos corresponden a los más volátiles.
Así al metano suele corresponderle un 80% de la mezcla. El propano y butano se
separan por licuefacción y se expenden en el comercio en cilindros a presión. El resto,
conducido por gaseoductos a las ciudades, se emplea también como combustible.
Aunque una buena parte de él se utiliza en la fabricación de negro de humo siguiendo
un procedimiento de pirólisis:
1200ºC4 2CH C + 2H⎯⎯⎯→
1200ºC4 2CH C + 2H⎯⎯⎯→
5.6. Biogás.
El biogás es una mezcla de gases cuyos principales componentes son el metano y el
bióxido de carbono, el cual se produce como resultado de la fermentación de la
materia orgánica en ausencia de aire por acción de un grupo determinado de
microorganismos. Se lo llama “Bihugas” en Alemania, “Gas gobar” en India,“Gas
marjal” en China.
Cuando esta mezcla se produce de forma natural, se le llama “gas de los pantanos”;
fue descubierto y reportado por Shirley en 1667 quien es el responsable de los
llamados “fuegos fatuos”, Volta fue el primero en reconocer una relación entre el gas
de los pantanos y la vegetación en descomposición del fondo de los lagos.
En 1803 Sir. Humphrey Dhabi colectó el metano e inició la experimentación que puede
considerarse como el principio dela investigación en este campo; sin embargo, su
interés no estaba enfocado a resolver problemas de energía sino hacia la producción
agrícola.
De 1883 a 1884 Pasteur y Gayón, su colaborador, concluyeron que la fermentación de
estiércol en ausencia de aire producía un gas que podía ser usado para calefacción e
iluminación.
En 1896 el biogás fue utilizado en el alumbrado de una calle en Exeter, Inglaterra,
siendo esta su primera aplicación importante.
En la naturaleza se encuentra una gran cantidad de residuos orgánicos a partir de los
cuales puede obtenerse biogás, entre ellos se encuentran: los deshechos provenientes
de animales domésticos como vacas, cerdos, aves; excretas humanas, residuos
vegetales como pajas, pastos, hojas secas y basura de origen doméstico.(Ma. Isabel
Mandujano A., Alfonso Félix A., Ana María Martinez, 1981).
El metano componente energético útil, puede alcanzar 70% en el biogás con
frecuencia. El biogás tiene un poder calorífico de 5000 Kcal/m3 aproximadamente. En
desechos animales la variación en la producción de biogás se da de acuerdo al tipo de
animal, peso y calidad de alimentación de estos.
El estiércol es el material más adecuado pues es el más balanceado en nutrientes y ya
viene mecánicamente preparado. También son útiles los rastrojos de cosechas,
legumbres y menestras fresca; hojas y deshechos de tubérculos, hojas de árboles,
pajas, etc, y por supuesto la excreta humana.(Ing. Alfredo Oliveros Donohue,
1988).La siguiente tabla muestra los diferentes materiales con potencial para la
producción de biogás.
Origen Materia aprovechable
Deshechos animales Estiércoles, cama, deshechos alimenticios, orina, etc.
Residuos agrícolas Semillas, pajas, bagazo de caña, etc.
Deshechos de rastros Sangre, carne, deshechos de pescado, etc.
Residuos
agroindustriales
Aserrín, deshechos de tabaco, frutales, vegetales,
cascarilla de arroz, etc.
Residuos forestales Ramas, hojas, cortezas, etc.
Tabla 7.12: Materiales orgánicos con potencial de biogás.
Fuente: (Biogás, energía y fertilizantes a partir de deshechos orgánicos – manual para el
promotor de la tecnología – OLADE – nº 6 – México – 1981)
En la siguiente tabla se dan algunos rendimientos aproximados de deshechos de
origen rural y el rendimiento de producción de biogás de cada uno de ellos.
Biomasa Biogás Residuos
Kg/Uni – Día 1/Kg m3/Uni - Día m3/Uni – año
Estiércol de Vacuno 16 37 0.592 216.08
Estiércol de Equino 12 57 0.683 249.66
Estiércol de Porcino 2.3 60 0.138 50.37
Estiércol de Ovino 1.8 50 0.090 32.85
Estiércol de caprino 18 50 0.090 32.85
Tabla 7.13: Rendimiento en biogás de algunos deshechos orgánicos.
Estiércol de aves 0.06 80 0.0048 1.752
Maíz (Kg/Ha – año) 9980 110 - 1098.6
Trigo (Kg/Ha – año) 3360 152 - 510.7
Cebada (Kg/Ha –
año) 3379 190 - 641.0
Arroz (Kg/Ha – año) 3382 190 - 638.5
Tabla 7.13: Rendimiento en biogás de algunos deshechos orgánicos (continuación)
Fuente: Tecnología energética y desarrollo – Alfredo Oliveros Donohue – Concytec –
1988).
Para el caso de la utilización de la madera como materia prima para la obtención de
gas metano la degradación microbiológica de la celulosa contenida en la misma no se
puede conseguir en forma directa, tal como se hace en los residuos domésticos, pues
hay junto a ella un componente, la lignina, que no es atacable por los
microorganismos. Esto obliga a someter la madera a un pretratamiento antes de
hacerla fermentar, con el objeto de eliminar en lo posible la lignina y dejar sólo
material digestible en condiciones anaeróbicas.
Los trabajos experimentales realizados han dejado claro que un pretratamiento
resulta indispensable para conseguir una proporción apreciable en el ataque de la
madera por los microorganismos anaeróbicos. Con tal objeto se conocen varios
pretratamientos, desde los que usan ácidos o álcalis fuertes, dióxido de azufre o
amoníaco, hasta los que someten a la madera a irradiaciones con electrones
altamente cargados o a la acción del vapor de agua caliente.
Es importante señalar la influencia que tiene en el proceso de biodigestión anaeróbica
el tipo de madera a utilizar. La especie ideal debe tener un contenido relativamente
bajo de lignina y uno alto de hemicelulosa y pentosanos.
En cuanto al requerimiento de baja lignina, la óptima sería probablemente una
madera dura que una blanda, por cuanto éstas, en general, tienen un contenido de
lignina significativamente mas alto que las primeras y además la lignina es en ellas
de un tipo que hace a las maderas blandas más resistentes a la podredumbre. (Grupo
de Investigación de Energías Renovables (GIDER) - Departamento de
Termodinámica - Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Nordeste –
Argentina.).
El biogás es un gas producido por bacterias durante el proceso de biodegradación de
material orgánico en condiciones anaeróbicas (sin aire). La generación natural de
biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono. El metano
producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que
degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio
ambiente. Este proceso que genera biogás es una fuente de energía renovable.
El biogás se obtiene mediante un digestor o bien canalizándolo directamente en un
vertedero controlado. En el primer caso, la temperatura del digestor se mantiene a
unos 50°C; de este modo se logra que el pH esté comprendido entre 6,2 y 8, lo que
favorece la actividad de los microorganismos. La degradación bioquímica, de gran
complejidad y que dura entre 10 y 25 días, se desarrolla en tres fases principales: la
hidrólisis y ácidogénesis, la acetogénesis y la metanogénesis.
Tanto el tipo de sustrato orgánico como las condiciones del proceso y el grado que
éste alcanza hacen que las proporciones de los componentes del biogás (54%-70%
para el metano, 27%- 45% para el CO2, etc.) varíen mucho.
El biogás se emplea tanto para la generación de calor mediante combustión como
para la generación de energía mecánica o eléctrica, principalmente en las mismas
plantas donde se obtiene.
5.6.1. Composición química del biogás.
De forma general, al biogás se le ha definido como la mezcla de gases cuya
composición varía de acuerdo a los detalles de su producción (Hesse 1983). Según
Prats (1996) la composición del biogás procedente de la digestión anaerobia de los
excrementos de animales es la siguiente:
• Metano (CH4): 40-70% del volumen.
• Dióxido de carbono (CO2): 30-60 vol %
• Otros gases: 1-5 vol.%
Incluyendo
• hidrógeno (H2): 0-1 vol.%
• sulfuro de hidrógeno (H2S): 0-3 vol.%
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las
características combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto
estará determinado por la concentración de metano.
5.6.2. Propiedades, utilización y purificación del biogás.
Como en cualquier otro gas, algunas de las propiedades características del biogás
dependen de la presión y la temperatura. También son afectadas por el contenido de
humedad. Los factores más importantes para caracterizar el biogás son los
siguientes:
• Cómo cambia el volumen cuando cambian la presión y la temperatura.
• Cómo cambia el valor calorífico cuando cambian la temperatura,
presión y/o contenido de agua.
• Cómo cambia el contenido de vapor de agua cuando cambian la
temperatura y/o la presión.
5.6.2.1. Propiedades.
El poder calorífico del biogás varía de acuerdo con la cantidad de metano (CH4)
existente a la mezcla. Cuanto mayor el porcentaje metano (CH4), menor la de dióxido
de carbono (CO2) y, por lo tanto, mayor será el poder calorífico del biogás que en
promedio es de 5500 kcal.
Gas Composición %
Poder
calorífico
kwh/m3
Densidad
relativa
(ρaire = 1,2)
Velocidad de
la llama
cm/s
Necesidad
de aire
m3/m3
Metano CH4 100 9.94 0.554 43 9.5
Propano C3H8 100 25.96 1.560 57 23.8
Butano C4H10 100 34.02 2.010 45 30.9
Gas natural CH4; H2 65; 35 7.52 0.384 60 7.0
Gas carbón H2; CH4; N2 50; 26; 24 4.07 0.411 82 3.7
Biogas CH4; CO2 60; 40 5.96 0.940 40 5.7
Tabla 7.14: Calidades de gases.
Entre sus prxopiedades físicas mas notorias se encuentra su capacidad de quemarse
casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21.5 MJ / m3
(573 BTU por pie cúbico o 5135 kcal / m3), valor que puede variar entre 19.7 y 23 MJ /
m3.
Su temperatura de auto-ignición es similar a la del metano puro y varía de 923 K
hasta 1023 K (650-750 °C). Como media, el biogás no purificado produce de 20 a 23
MJm-3 (4700-5500 kcalm-3) (Hesse 1983).
Combustible
s
Unidades = e
Poder
calorífico
Kwh/e
Uso Eficiencia
η
Poder
Calorífico
utilizable
kw/e
Equivalente-gas
m3/e
1m3
biogás
= e/m3
Estiércol de
vacuno
(bosta)
kg 2.50 12 % 0.30 0.09 11.11
Leña kg 5.00
12 % 0.60 0.18 5.60
Tabla 7.15: Biogás en comparación con otros combustibles.
Carbón de
piedra kg 9.00 25 % 2.25 0.69 1.50
Carbón de
leña kg 8.00 25 % 2.00 0.61 1.64
Butano kg 13.60 60 % 8.16 2.50 0.40
Propano kg 13.90
60 % 8.34 2.54 0.40
Cocinar 50 % 6.00 1.83 0.60 Diesel Kg (Litros) 12.00
Motor 30 % 4.00 2.80 0.36
Cocinar 67 % 0.67 0.20 5.00
Luz 9 % 0.09 0.50 2.00 Electricidad Kwh 1.00
Motor 80 % 0.80 0.56 1.80
Cocinar 55 % 3.28 1.00 1.00
Luz 3 % 0.18 1.00 1.00 Biogas m3 5.96
Motor 24 % 1.43 1.00 1.00
Tabla 7.15: Biogás en comparación con combustibles (continuación).
Biogás y el ciclo global del carbón.
Cada año, la actividad microbiana libera entre 590 y 880 millones de toneladas de
metano a la atmósfera. Cerca del 90% del metano emitido proviene de la
descomposición de biomasa. El resto es de origel fósil, o sea relacionado con procesos
petroquímicos. La concentración de metano en la atmósfera en el hemisfero norte es
cerca de 1.65 partes por millón.
5.6.2.2. Usos del biogás.
Según Hesse (1983), un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es
suficiente para:
• Generar 1.25 kw - h de electricidad.
• Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.
• Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.
• Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30
minutos.
• Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas.
En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero los más
comúnmente usados son los motores de gas-Otto y los de gas-Diesel (Dohne 1998).
Esto quiere decir que un metro cúbico de biogás puede compararse con 0.4 kg de
aceite diesel, 0.6 kg de petróleo o 0.8 kg de carbón.
La presión a la que se encuentra el biogás almacenado define la distancia a la que se
puede transportar a través de tuberías. Se ha calculado (BORDA, citado por Hesse
1983) que a la presión de 0.8 kN / m2 (8 cm de columna de agua) puede transportarse
1 m3 de biogás por hora en una tubería de 1.27 cm (1/2”) a una distancia de 20 m,
así como en tuberías de 1.91 cm (3/4”) a 150 m de distancia. Para un diámetro de 2.54
cm (1”) podrá transportarse a 500 m. Si se precisa de 2 m3 por hora, las distancias
deben disminuirse.
La historia de la utilización del biogás muestra desarrollos independientes en varios
países desarrollados e industrializados.
Normalmente, el biogás producido por un biodigestor puede utilizase directamente
como cualquier otro gas combustible. Sin embargo, es posible que su utilización
requiera a veces procesos que, por ejemplo, reduzcan el contenido de sulfuro de
hidrógeno. Cuando el biogás se mezcla con aire en una proporción 1 a 20, se forma
una mezcla altamente explosiva. Por lo tanto, las pérdidas de las cañerías en espacios
cerrados constituyen un peligro potencial.
El rendimiento de biogás es de aproximadamente cerca de 6 kwh / m3 y corresponde
mas o menos a medio litro de kerosén, pero el rendimiento efectivo depende de los
mecheros y su efectividad.
Un artefacto que funciona con gas tiene un buen rendimiento si un litro de agua
hierve rápidamente, en cambio si demora demasiado tiempo es que el mechero está
mal arreglado, porque la mezcla con el aire determina su rendimiento. Para cocinar
se necesita una presión de gas de 5 a 20 cm de columna de agua esta presión es muy
apropiada, teniendo en cuenta que para un foco necesita aproximadamente una
presión de 10 cm de columna de agua.
Aparato Consumo
Mechero — hogar
Mechero — industrial
200 – 450 L/h
1000 – 3000 L/h
Frigider — 100 Ltr 30 / 75 L/h
hasta 1800 L/h
60W foco con biogas 120 – 150 L/h
Biogas / diesel – motor por bhp (1hora/gav) 420 L/h
Un kwh de electricidad con motor 700 L/h
Tabla 7.16: Uso y necesidades de biogás.
El sulfuro de hidrógeno en el biogás junto con el agua condensada forma ácidos que
provocan la corrosión, especialmente cuando se usa el gas en un frigider o en una
terma. Por tal motivo el mechero y el espacio donde arde la llama tiene que ser de
acero, esmalte o hierro fundido. Se puede limpiar el biogás del sulfuro de hidrógeno
con un filtro que contiene un oxido de hierro.
2 2 2FeO + H S FeS + H O 2FeS + O 2FeO + S→ → → (7.4)
Cuando se usa grandes cantidades de biogás el cambio del filtro tiene altos costos por
el trabajo de renovación, por tal motivo a pesar de los altos costos de los artefactos
hechos de acero es más barato usarlos que cambiar el filtro.
Cantidad Tiempo (min.) Gas (Litros)
1 Litro de agua 10 40
5 litros de agua 35 165
500 gr. de arroz 30 140
1000 gr. de arroz 37 175
350 gr. de legumbres 60 270
700 gr. de legumbres 70 315
Una familia de 3 hijos necesita aproximadamente 850 – 2000
litros de biogás diario, una familia de 10 personas necesita
aproximadamente 30% más.
Tabla 7.17: Biogás para cocinar (valores de la India).
Para usar el gas en un motor, éste no tiene que ser filtrado y además la presión puede
ser baja porque el motor chupa el gas. En las plantas de tipo simple, el uso del gas en
un motor en pocas oportunidades es muy efectivo.
Para el transporte el biogás no se debe licuar porque ocasionaría bajo rendimiento.
Las cañerías pueden ser de acero, cobre, plástico o goma, pero este último material es
el peor, porque bajo el sol se vuelve poroso.
La presión del gas baja debido al largo del tubo. La densidad en proporción el aire. La
reducción de la presión depende también de la fricción del gas en el tubo.
El biogas también contiene vapor de agua. Si se condensara el gas, resultaría agua
condensada, la cual se encuentra en la parte mas baja de la cañería la que debe salir
de allí, para que no bloquee el tubo.
Hay que evitar que el tuvo tenga agua, y para ello se puede instalar los siguientes
drenajes:
- Válvula de agua
- Una salida de agua que funciona automáticamente (Sistema Patel)
- Una apertura para extraer el agua (Sistema Nepal)
Funcionamiento de artefactos con biogás.
Los artefactos para el hogar que funcionan con biogás son prácticos y también sirven
para la comodidad de la ama o el jefe de la casa. Cuanta mayor calidad tienen los
artefactos de biogás, tanto más servicio tiene la planta.
Por lo tanto también los artefactos económicos hechos en el lugar tienen que ser
baratos, modernos y de buena calidad. En la mayoría de las casas se cocina con dos
mecheros. Los que deben ser arreglados y fijados al comenzar el día, porque hecho de
esta manera el rendimiento es bastante alto.
En los pueblos sin electricidad tener luz es una necesidad fundamental y una mejor
forma de vida. Las lámparas que trabajan con biogás tienen poco rendimiento, se
calientan mucho y podrían incendiar el techo cuando son colgados del mismo. Las
camisetas no sirven por mucho tiempo y por tal motivo estos en pocas oportunidades
son bien usados.
Los refrigeradores que funcionan con biogás también tienen los siguientes problemas:
El biogás oscila en su composición y cantidad diariamente, aunque sea una planta
con campana flotante. Por tal motivo, hay que usar tableros especiales
particularmente cuando el refrigerador tiene una regulación con termostato y la
llama se enciende sola cuando tiene necesidades. El peligro de que salga el gas sin que
la llama este encendida es grande, por lo tanto se tiene que instalar un sistema
automático que cierre el tubo de gas cuando se apague la llama. Al usar el frigider
con biogás es necesario consultar con un especialista de artefactos con funcionan con
gas.
Destino Características Consumo medio
Lámpara
Camiseta 100 watts
Camiseta 500 watts
(inyector/1,1mm)
0.13 m3/h
0.105 m3/h
Cocina
Quemador 2” φ
Por persona /día
02 quemadores
(inyector φ 2,0 mm)
0.32 m3/h
0.33 m3/día
0.50 m3/h
Horno Cocina doméstica 0.44 m3/h
Tabla 7.18: Consumo de biogás en distintos artefactos.
Heladera Quemador inyector φ 1,1 mm
Parte medio
0.077 m3/h
2.20 m3/h
Motor Ciclo de Otto 0.45 m3/hp-h
Ducha a gas Por baño 0.80 m3/h
Incubadora Volumen interno 0.60 m3/h
Campánula 1.500 kcal
(inyector de φ 2,0 mm.)
0.162 m3/h
Ebullición de agua 100ºC 0.08 m3/litro
Electricidad 1kwh 0.62 m3/h
Tabla 7.18: Consumo de biogás en distintos artefactos (continuación).
5.6.2.3. Purificación del biogás.
En la práctica la purificación del biogás es la remoción del dióxido de carbono o el
sulfuro de hidrógeno o ambos. El dióxido de carbono es eliminado para aumentar el
valor como combustible del biogás. El sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir
el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás (Hesse,
1983).
Para las comunidades rurales es más práctico no ocuparse de la remoción del dióxido
de carbono. En general los campesinos prefieren un gas menos eficiente que tener
tiempo ocupado en el control del mismo, por lo que en las pequeñas granjas esta labor
se considera innecesaria. Para grandes plantas de biogás y otras específicas donde los
aspectos técnicos son menos onerosos, existen justificaciones económicas para la
purificación.
El método químico más simple y eficiente de remoción del dióxido de carbono es su
absorción en agua de cal. Este método necesita mucha atención por cuanto el agua de
cal se agota y necesita recambiarse frecuentemente, lo que trae como consecuencia su
preparación frecuente sino se obtiene comercialmente. El agua de cal puede
sustituirse por una solución acuosa de etanolamina la cual absorbe el dióxido de
carbono (y también el sulfuro de hidrogeno), aunque este proceso es caro para
hacerlo rutinario en la purificación del biogas debido al calentamiento periódico a
que tiene que ser sometida esta sustancia para su regeneración.
Otra alternativa, es utilizar otro residual fuertemente alcalino como medio de
absorción de estos gases como son los efluentes de cultivos de microalgas. El líquido
efluente del digestor es vertido directamente en un tanque de gran tamaño para
producir el alga spirulina. El alga es filtrada para ser usada como alimento de
cerdos o patos o bien como aditivo, y el agua residual que tiene un valor de pH de 10
o más es almacenada en un tanque cilíndrico. Esta agua se hace atravesar en
contracorriente al biogás. El agua que queda como resultado de esta reacción
contiene carbonato de hidrogeno la cual es reutilizada en el cultivo de las algas.
El dióxido de carbono es bastante soluble incluso en agua neutral (878 cc/litro a 20
°C) bajo presión atmosférica, así que el lavado con agua ordinaria es quizás el método
mas sencillo de eliminación de impurezas.
El CO2 es soluble en agua mientras que el metano no lo es. A alta presión, la
solubilidad del CO2 aumenta proporcionalmente permitiendo que la concentración de
metano en el biogás se incremente (Lau-Wong, 1986).
Además de los métodos tradicionales de desulfuración con limallas de hierro existe un
procedimiento basado en la adición de aire al 1.5 % del volumen de biogás producido
(Henning, 1986). Con este método se asegura una disminución del contenido de H2S
de aproximadamente 120 ppm o 0.012 % en volumen de biogás.
5.6.3. Beneficios de la tecnología del biogás.
Los sistemas de biogás pueden proveer beneficios a sus usuarios, a la sociedad y al
medio ambiente en general:
• Producción de energía (calor, luz, electricidad).
• Transformación de desechos orgánicos en fertilizante de alta calidad.
• Mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la reducción de
patógenos, huevos de gusanos y moscas.
• Reducción en la cantidad de trabajo relacionado con la recolección de
leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres).
• Ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua, del
aire y la vegetación leñosa, reducción de la deforestación.
• Beneficios micro-económicos a través de la sustitución de energía y
fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la producción
agrícola-ganadera.
• Beneficios macro-económicos a través de la generación descentralizada
de energía, reducción en los costos de importación y protección ambiental.
Por lo tanto, podemos decir que la tecnología del biogás puede contribuir
sustancialmente a la conservación y el desarrollo. Sin embargo, el monto de dinero
requerido para la instalación de las plantas puede ser en muchos casos prohibitivo
para la población rural. Por ello, se deben concentrar los esfuerzos en desarrollar
sistemas más baratos y en proveer a los interesados de créditos u otras formas de
financiación. El financiamiento del gobierno podría verse como una inversión para
reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del petróleo y
fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio ambiente, con la salud y la
higiene.
5.7. Fermentación.
El mecanismo de la fermentación fue cuantificado por primera vez por Gay Lussac,
basándose en la estequiometría de la conversión de una hexosa en etanol y anhídrido
carbónico.
6 12 6 2 5 2C H O 2C H OH + 2CO→ (7.5)
Azúcar - hexosa etanol + anhídrido carbónico→
180 92 + 88→
Por consiguiente, 100 Kg de azúcar – hexosa = 51.1 Kg de etanol + 48.9 Kg de
anhídrido carbónico.
El rendimiento teórico de 51.1% por peso se denomina coeficiente de Gay – Lussac y
representa el dato básico en eficiencia de conversión.
La etapa siguiente del entendimiento del mecanismo fue hecha por Luis Pasteur y su
experimentación de casi un siglo atrás representa un momento decisivo en la ciencia
microbiológica.
Una apariencia más grande de productos comparada con el azúcar original se debe
al oxígeno del aire y a los nutrientes procedentes de una fuente externa que es
necesaria para el crecimiento celular. Por tanto, el coeficiente de Pasteur de
aproximadamente 94.7% del rendimiento teórico GL (Gay Lussac) se considera como
la máxima producción posible de etanol que puede ser alcanzada por fermentación.
Sin embargo, el coeficiente de Pasteur puede ser sobrepasado por la reutilización de
levaduras, o cuando el crecimiento pueda ser llevado a cabo a partir de carbohidratos
no naturalmente fermentables hasta etanol. En la práctica comercial, en la que no se
utiliza un substrato ideal, las eficiencias de conversión mantenidas durante un
periodo razonable de tiempo se encuentran normalmente en la región del 90% GL.(J.
Bu Lock y B. Kristiansen, 1991).
5.7.1. Fermentación anaeróbica.
5.7.1.1. Mecanismos de la fermentación anaeróbica.
El proceso de descomposición de los materiales orgánicos para producir biogás es
conocido como fermentación anaeróbica y consiste en tres fases:
• La primera fase es un periodo de licuefacción.
• La segunda es llamada acidogenesis.
• la tercera metanogenesis.
A). Periodo de licuefacción. En este periodo enzimas extracelulares tales como
celulosa, lipasa, proteasa, etc., hidrolizan externamente la materia orgánica. Así, por
ejemplo, los polisacáridos son metabolizados a mono y disacáridos, las proteínas a
polipéptidos y aminoácidos, la grasas a glicerol y ácidos graso. En otras palabras, la
materia orgánica sólida es transformada a materia soluble.
B). Periodo de acidogenesis. Donde los productos de la primera fase penetran en
las células bacterianas, donde por medio de endoenzimas son transformados a
compuestos micromoleculares tales como ácidos grasos, alcohol, etc.
Las fases de licuefacción y acidogenesis son procesos consecutivos que juntos se
conocen como período no productor de metano.
En este período, debido a la acción conjunta de varios tipos de microorganismos, la
materia prima se descompone, bajo condiciones anaeróbicas, en compuestos
alcohólicos simples, dióxido de carbono e hidrógeno. Ácidos de bajo peso molecular,
alcohol, CO2 y H2 son todos sustratos para la alcoholización de metano. Por lo tanto,
el período no productor de metano puede verse como un proceso en el que materia
orgánica compleja es convertida en sustancias que pueden ser usadas por las
bacterias productoras de metano y que son necesarias para su subsistencia, en la fase
no productora de metano son especies muy diversas, dependiendo del tipo de materia
prima que se desee fermentar.
C). Periodo de metanogenesis. Las bacterias anaeróbicas tienen un papel muy
importante en este período y su población puede ser 200 ó 300 veces mayor que la de
las bacterias aeróbicas facultativos y aeróbicas. La presencia de microorganismos
productores de H2 en este es fundamental, ya que el hidrógeno debe estar presente a
la hora de la producción de metano por reducción de CO2.
El metano se puede formar de 3 maneras mediante el metabolismo bacteriano:
a) A partir de ácidos volátiles:
Ácido butanoico + agua + dióxido de carbono → ácido acético + metano
2CH3 CH2 CH2 COOH + H2O + CO2 → CH3 COOH2 + CH4 (7.6)
Ácido acético → Metano + Dióxido de carbono
CH3 COOH → CH4 + CO2 (7.7)
b) A partir de alcohol y dióxido de carbono.
Dióxido de carbono + Hidrógeno → Metano + agua
CH3 CH2 CH2 OH + CO2 → CH3 COOH + CH4 (7.8)
c) A partir de la reducción del dióxido de carbono.
Dióxido de carbono + Hidrógeno → Metano + agua
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (7.9)
El proceso de la fermentación puede resumirse de la siguiente forma:
Materia orgánicacompleja.
Ácidos orgánicos simplesy alcohol, CO2, H2, etc.
Metano.
Descomposiciónbacteriana.
Acción bacteriana.
Ilustración 7.32: Proceso simplificado de producción de metano.
Dependientes uno de otro, los tres períodos de fermentación anaeróbica son procesos
sucesivos y mantienen un balance dinámico. Cualquier desequilibrio puede incluso
detener el proceso.
5.7.2. Condiciones básicas para la producción de metano.
Para obtener un proceso eficiente de fermentación y por consiguiente una buena
producción de gas, es necesario asegurar las condiciones básicas requeridas por las
bacterias productoras de metano para realizar su actividad vital normal
(crecimiento, desarrollo, multiplicación, etc.).
5.7.2.1. Ambiente estrictamente anaeróbico.
Los microorganismos principales para el proceso son estrictamente anaeróbicos. La
descomposición de la materia orgánica en ambientes aeróbicos produce CO2,
mientras que en condiciones anaeróbicos resulta en metano (CH4).
Por lo tanto, es esencial construir un digestor bien sellado para lograr un ambiente
estrictamente anaeróbico y también para evitar escapes del gas que se produce.
5.7.2.2. Temperatura apropiada.
La temperatura afecta directamente la tasa de producción de biogás. Este puede ser
producido a cualquier temperatura entre los 5°C, y los 60°C. Dentro de este rango
entre más alta la temperatura mayor será la producción de gas.
Pueden ser identificados tres rangos de temperatura; alta, media y normal.
A. fermentación a alta temperatura.
En un rango de temperatura entre los 47 y 55°C la producción de gas puede llegar a
ser de 2 a 2.5 m3 de gas por volumen del digestor. Este proceso, llamado “termofílico”,
es de alta eficiencia pero no muy económico desde el punto de vista de energía
requerida para calentar y mantener en digestor dentro del rango de temperatura
antes mencionado. Además la materia prima sería digerida mucho más rápido por lo
que se necesita mucha cantidad de desechos.
B. Fermentación a temperatura media (mesofílico).
A temperatura entre los 35 y 38°C la producción diaria de gas puede estar entre 1 y
1.5 m3 de gas por volumen del tanque digestor.
C. Fermentación a temperatura normal.
Si la temperatura dentro del digestor se encuentra entre los 22 y 28°C, se puede
obtener un promedio de 0.2 – 0.5 m3 de gas por volumen del tanque. Si la
temperatura es inferior a los 22°C la producción puede descender hasta 0.15 m3 por
volumen de digestor. De manera que a estas temperaturas, se deben tomar medidas
efectivas para calentar el digestor y obtener una mayor producción de metano.
En la siguientes figuras se muestra como la producción de biogás se comporta en
función de la temperatura utilizada en el proceso de fermentación anaeróbica, la
variación de la temperatura interna de dos tipos de biodigestores en comparación de
la temperatura ambiente y la diferencia entre la temperatura de entrada y salida de
los materiales con los que se cargaron dos biodigestores:
Gráfico 7.4: Producción de biogás y metano a diferentes temperaturas.
Gráfico 7.5: Variación de la temperatura interna en biodigestores de geomembrana y
plástico
Vs temperatura ambiental.
Gráfico 7.6: Variación de la temperatura de entrada y salida en biodigestores de
geomembrana y plástico.
En el gráfico 7.7 se puede apreciar como la temperatura a través del tiempo en el
biodigestor plástico de invernadero presentó valores levemente mayores que el de
geomembrana en los cuatro primeros muestreos, luego el comportamiento fue muy
similar.
La estadística mostró que no hay diferencias significativas entre los biodigestores de
geomembrana y plástico (t calculado = -1,365 < t crítico = 2.059. Existe una
correlación alta entre la temperatura interna y la ambiental (r = 0.66 en
geomembrana y 0.678 en plástico).
En el gráfico 7.8 se muestra como las temperaturas de entrada y salida para cada
uno de los materiales no presentaron diferencias significativas con variaciones
mínimas entre las medias y comportamientos similares entre los dos tipos de
biodigestores
5.7.2.3. Ph apropiado.
El pH dentro del digestor tiene un impacto muy importante en la actividad biológica
de las bacterias productoras de gas. El proceso normal requiere un valor de pH
constante, aproximadamente neutro (pH=7). Una vez que se ha llenado el digestor, el
tiempo que dura para obtenerse el pH adecuado depende de la temperatura, la clase y
la cantidad de materia prima utilizada.
En el siguiente gráfico se puede apreciar los niveles de acidez de dos tipos de
biodigestores así como el nivel de pH de los materiales desde la carga y descarga de
un biodigestor:
Gráfico 7.7: Variación del pH interno en biodigestores de geomembrana y plástico.
Gráfico 7.8: Variación del pH de entrada y salida en los biodigestores de geomembrana y
plásticos.
En el gráfico 7.9, se puede notar que el pH interno a través del tiempo en el
biodigestor de geomembrana mostró un descenso desde el inicio (6.9 a 6.13), en el
muestreo 9 volvió a incrementar (6.21 a 6.92), dando signos de estabilidad hacia el
final de la etapa de arranque. El pH en el biodigestor de plástico de invernadero inició
al contrario, comenzó en 6.87, se incrementó hasta 6.94, descendió a 6.18 y empezó a
incrementar con la misma tendencia que el de geomembrana. En estos biodigestores
el pH está por encima del rango en el que permanecen las bacterias acidogénicas, es
decir que empieza a pasar a la fase metanogénica. Existen diferencias significativas
entre los dos tratamientos (t calculado = 3.985>t crítico = 2.019).
Las bacterias metanogénicas trabajan a pH entre 6,8 y 7,2 (De Souza 1982), por lo
cual aparentemente ya se está alcanzando la fase metanogénica. El gráfico 7.10
muestra el pH de entrada y de salida para cada uno de los materiales, los cuales no
presentaron diferencias significativas (t calculado < t crítico). Sin embargo las
medias de los pHs fueron muy similares, oscilaron entre 6.89 y 6.91 en la entrada y
entre 6.77 y 6.80 en la salida. Los pHs tuvieron menos variación a partir del muestreo
10. Se halló una correlación baja (r < 0.36) entre el pH de entrada y salida para cada
uno de los tratamientos, por lo cual se concluyó que no hay efecto del pH que entró al
biodigestor sobre el que salió, lo cual dependió más de la variación de los AGV dentro
del biodigestor.
En general el pH y la temperatura fueron ligeramente más altos en el biodigestor
plástico de invernadero que en el de geomembrana y esto está directamente
relacionado con el tipo de material.
Una mezcla inadecuada de materiales o métodos de manejo inapropiados harían que
los ácidos volátiles se acumulen en gran cantidad, resultando en una caída del valor
de pH. La operación normal del biodigestor se alteraría y por tanto la producción de
gas se reduciría. En tales casos se debe reajustar el pH.
5.7.2.4. Agitación.
Un aumento en la producción de gas está relacionado con la agitación frecuente de la
mezcla que está en reposo, se pueden diferenciar en ella tras capas:
• La capa superior o nata en donde hay todavía mucha materia prima
pero pocas especies de bacterias para fermentación. Si esta nata es muy
espesa el paso de gas se ve bloqueado.
• La capa intermedia está constituida por gran cantidad de agua y poca
materia prima.
• La capa del fondo formada por lo desechos de sedimentación, y en la
que tanto la materia prima como las bacterias son abundantes.
5.7.2.5. Alcalinidad.
El pH debe mantenerse en 7 o ligeramente mayor y esto se logra mediante la acción
“buffer” del bicarbonato. Si el pH desciende de valores inferiores a 7 la producción de
metano decrece notablemente.
5.7.2.6. Ácidos volátiles.
La determinación de los ácidos volátiles indica cuánto alimento hay disponible para
la formación de metano. Sin embargo, una excesiva cantidad de ácidos pueden
envenenar la mezcla y reducir el pH, disminuyendo así la producción de biogás.
Si la razón alcalinidad: ácidos volátiles está sobre dos, el “buffer” puede neutralizar
los ácidos en el digestor previniendo una caída en el pH.
En los siguientes gráficos se puede apreciar la variación de la concentración de los
ácidos grasos volátiles en dos tipos de biodigestores:
Gráfico 7.9: Variación de los ácidos grasos volátiles en biodigestores de geomembrana y plásticos.
En la gráfica 7.11 se observa el comportamiento de los AGV. Éstos se incrementaron
hasta las semanas 12 y 13, a partir de las cuales empezaron a estabilizarse con valores
que oscilaron entre 37.25 y 30 mg/litro.
5.7.2.7. Sólidos totales y sólidos volátiles.
Los sólidos totales representan la porción seca de la materia prima. Los sólidos
volátiles son la porción de materia orgánica contenida en los sólidos totales. La
determinación de estos dos factores es importante para obtener las materias primas
apropiadas para el digestor porque de ello dependerá el potencial de producción de
biogás.
Ilustración 7.33: Esquema de un biodigestor continuo.
Ilustración 7.34: Productos finales de la descomposición orgánica.
En el siguiente gráfico se observa como se distribuyen en función al tiempo de
retención la producción diaria de gas para materiales con distintas proporciones
de celulosa:
Gráfico 7.10: Producción diaria de biogás para tres tipos de materiales de carga en
función al tiempo de retención.
El límite mínimo de los T.R. esta dado por la tasa de reproducción de las bacterias
metanogénicas debido a que la continua salida de efluente del digestor extrae una
determinada cantidad de bacterias que se encuentran en el líquido. Esta extracción
debe ser compensada por la multiplicación de las bacterias que permanecen dentro
del reactor. Por esta razón en los últimos años se han buscado diseños de cámaras de
digestión que procuren lograr grandes superficies internas sobre las cuales se
depositan como una película las bacterias u otros sistemas que logran retener a las
metanogénicas pudiéndose lograr de este modo T.R. menores.
5.7.3. Factores que afectan la población microbiana de los biodigestores.
La recirculación de desechos tiene, además, la ventaja de que es una forma de
mantener el hábitat libre de contaminación.
Al trabaja con biodigestores, deben tomarse en cuenta tanto factores ambientales
como operacionales que afectan directa o indirectamente su funcionamiento y
eficiencia, o más bien, que afectan a la población microbiana del digestor.
Entre los factores ambientales tenemos: temperaturas, pH, concentración de AGV,
disponibilidad de nutrientes y otros.
Como factores operacionales cuentan: porcentaje de sólidos presentes, naturaleza del
sustrato, mezclaje, tiempo de retención, efecto del diseño y calentamiento.
5.7.3.1. Factores ambientales.
A. Especie microbiana.
Aunque la condición anaeróbica se presenta en el biodigestor y en la digestión de los
rumiantes, ambos procesos tienen diferencias entres sí. Por ejemplo: los rumiantes, la
mayoría de las veces, ingieren material fresco; en cambio, en el digestor solo entran
desechos, compuestos, entre otras cosas, por celulosa, lignina, polisacáridos, residuos
de desechos humanos, papel , células intestinales, desechos de mataderos y grasas.
Tanto los desechos como el alimento contienen miles de bacterias por gramo, muchas
de ellas son facultativamente aeróbicas o anaeróbicas. Cuando se ha tratado de
determinar el tipo ruminal, se ha visto que las facultativamente anaeróbicos forman
gran parte de la población.
Hobson, (1973) en digestores aprovisionados con desechos de cerdos, encontró gran
cantidad de estreptococos (50 % de la población). Luego al proveedor con desechos
domésticos,encontró gran cantidad de coniformes (50%) y no halló estreptococos.
Es poblable que el flujo continuo de una especie ayude a la población del digestor,
pero debemos decir que, aunque los coniformes fueron muy comunes, las bacterias
anaeróbicas fueron predominantes. Por otra parte Kirch (1969), utilizando el método
anaeróbico separó bacterias gram-negativas predominantes no esporuladas
anaeróbicas, fermentadoras de azúcares. Aparentemente, estas son responsables de
la primera etapa de la digestión anaeróbica de aguas estancadas o de cloacas.
Podrían aparecer también clostridios y otros tipos de bacterias en digestores
domésticos, pero es difícil apreciar su importancia en el proceso de digestión.
Se ha investigado cuáles son, exactamente, las bacterias formadoras de metano,
aunque todavía no se tiene una respuesta definitiva. Se han utilizado varios medios y
se ha encontrado que el sustrato para estas bacterias son los componentes simples que
caen dentro de tres grupos:
Ácidos grasos de 1 a 6 carbonos.alcoholes de 1 a 5 átomos de carbono (cadenas rectas
y ramificadas) CO2, H2 y CO.
B. Potencial de hidrógeno.
Las bacterias metanogénicas son afectadas por las fluctuaciones del pH. Este es la
función del sistema alcalino de biocarbonato, del CO2 y de la concentración de AGV
(McCarty 1964), la alcalinidad protege de fluctuaciones de pH y éste se mantiene por
el CO2 durante la formación de metano.
Se encontrado que el pH óptimo para la producción de biogás es de 7 a 8 o sea, neutro
o ligeramente alcalino, pero que presenta la desventaja de que puede combinarse con
el CO2 y formar Carbonato de Calcio, que por ser poco soluble en el agua, puede
formar incrustaciones que interfieren en la eficiencia de calentamiento del, además de
ocupar espacio en el mismo. En el digestor las bacterias forman ácidos, por lo que el
pH puede acidificarse, pero luego que se estabiliza la producción, tiende a
normalizarse. En la siguiente tabla se muestran los efectos y soluciones para algunos
niveles de pH.
Condición Existente Razones Posibles Solución o Cura
Demasiado ácido
(pH 6 o menos)
Carga/día excesiva
Fluctuación de temperatura
Sustancias tóxicas
Formación de costra
Reducir la carga. Adicionar
amonio
Estabilizar temperatura
—
Remover costra
Demasiado alcalino
(pH 9 o más) Carga inicial demasiado alcalina
Paciencia
Nunca colocar ácido en el digestor.
Tabla 7.19: Problemas con pH y algunas soluciones.
En digestores de aguas estancadas, se puede elevar el pH con la adición de cal
(hidróxido de calcio), que es altamente alcalino, pero que presenta la desventaja de
que se puede combinar con el CO2 y formar carbonato de calcio, que por ser poco
soluble en agua, puede formar incrustaciones que interfieren en la eficiencia del
calentamiento del digestor (en caso de que sea un digestor calentado), y que ocupan
espacio dentro del mismo.
C. Concentración de AGV (ácidos grasos volátiles).
Cuando las bacterias degradan el material orgánico, se forman los ácidos grasos
volátiles (AGV). En este momento puede fluctuar el pH, de modo que en un digestor
habrá problemas cuando la acumulación de AGV sea alta. Quizá el problema es
mayor en digestores provistos con material fresco. Este es punto controversial en los
estudios, unos dicen que la concentración tóxica es alrededor de 2000mg. AGV/litro,
otros que la acidez que se asocian a ello es la causa de la toxicidad. En los siguientes
gráficos se muestra la variación en la concentración de los AGV en función a la
temperatura del medio y al nivel de pH:
Gráfico 7.11: Comportamiento de los AGV en biodigestores de geomembrana y plástico en
clima medio.
Gráfico 7.12: Comportamiento de los AGV según la variación del pH en biodigestores
de geomembrana en clima medio.
Gráfico 7.13: Comportamiento de los AGV según la variación del pH en biodigestores
plásticos en clima medio.
En el gráfico 7.13 se puede apreciar que el comportamiento de los ácidos grasos
volátiles fue similar en los dos tipos de biodigestor. Para el biodigestor en
geomembrana se encontró un promedio de 18.4 mg/litro y para el de plástico 18.9
mg/litro. No se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (t
calculado = -1.11> t crítico = 2.13).
En las gráficas 7.14 y 7.15 se observa el comportamiento de los AGV según la
variación del pH; la tendencia fue la misma que en la etapa de arranque, mientras el
pH aumenta, los AGV disminuyen. En este caso los AGV se reducen constantemente, lo
cual favorece la fase metanogénica y la producción de biogás. El pH a pesar de sus
variaciones se mantiene entre 6.80 y 6.93.
D. Temperatura.
La digestión anaeróbica ocurre en un rango de temperatura que va desde 5°C, la
temperatura que tenga el digestor determina la especie bacterial que pude vivir en
esas condiciones.
Se han reportado tres clases diferentes de bacterias: criofílicas, que viven en
temperatura menores de 20°C, mesofílicas que viven en rango de 20°C a 45°C y por
último las termofílicas que en rangos mayores de 45°C.
Se ha visto que la producción de gas crece a medida que aumenta la temperatura pero
que decrece después de que pasa los 40°C, quizas porque disminuye la cantidad de
bacterias que pueden vivir en tales circunstancias, por el gasto de energía que se
requiere para operar un digestor en tal condición y por las bacterias termofílicas son
muy sensibles a los cambios ambientales. Se ha encontrado que la temperatura
óptima para la digestión es de 30°C a 35°C, pues se combinan las mejores condiciones
para el crecimiento de las bacterias y la producción de metano con un corto tiempo de
retención de los desechos en el digestor.
En el siguiente gráfico se muestra la producción de biogás de dos tipos de
biodigestores en función de la temperatura ambiente:
Gráfico 7.14: Efecto de la temperatura ambiental sobre la producción de biogás en
biodigestores de geomembrana y plástico en clima medio.
En este gráfico se aprecian las producciones de biogás en función a la temperatura,
esta producción en ambos casos son muy similares (98 litros/día).
E. Disponibilidad de nutrientes.
Dependiendo de la materia prima que se use para aprovisionar el digestor, las
proporciones de nutrientes disponibles para la bacteria serán diferentes. Si se usan
aguas estancadas como materia prima, el material se compor1a como líquido, si se
usan desechos de animales será semi-sólido y-si se emplean desechos vegetales, el
material se considera sólido.En cuanto a los nutrientes propiamente dichos, es de
gran importancia la razón C:N. Se ha encontrado que lo óptimo es 25:1. Si hay mucho
carbono y pequeña cantidad de nitrógeno, la bacteria no puede utilizar todo el
carbono presente y la degradación de la materia orgánica será ineficiente. Si la
presencia de nitrógenos alta, no habrá en qué utilizarlo y se acumulará
principalmente en forma de amoníaco (NH3) que puede inhibir el crecimiento de las
bacterias o producir su muerte, especialmente de las productoras de metano.
Materia orgánica N total (% peso seco) Relación c/n
Orina 16 0.8
Sangre 12 3.5
Heces humanas 6 6 – 10
Orina humana 18 —
Estiércoles.
Aves 6.3 15
Ovino 3.8 —
Porcino 3.8 28
Equino 2.3 25
Bovino 1.7 21
Restos de cultivos.
Grama cortada 4 12
Alfalfa 2.8 17
Paja de avena 1.1 48
Blue grass 2.5 19
Cáscara de maní — 36
Paja de trigo 0.5 150
Cerrajen 0.1 200 – 500
Soya — 5
Semilla de algodón — 5
Tabla 7.20: Valor de la materia orgánica en carbono y nitrógeno.
Tabla 7.21: Producción de gas en proporción a estiércol de vacuno.
* forman una superficie dura
Tabla 7.22: Producción de venenos en desechos.
Relación C/N Material Usado Metano
(CH4)
Dióxido de
carbono
(CO2)
Hidróge
no
(H)
Nitróge
no
(N)
Bajo (N alto) Sangre, orina Poco Mucho Poco Mucho
Alto (N bajo) Paja, caña, papa, maíz,
beterraga, restos de cultivo Poco Mucho Mucho Poco
Balanceado
(C/N = cerca de 30) Estiércol, basura Mucho Alguno Poco Poco
Tabla 7.23: calidad del biogás estimada por la relación C/N.
Fuente de estiércol Neto Día
Kg.
Producción de Gas
Kg/m3
Gas Animal Día
m3
Bovino 10.00 0.0371 0.3679
Porcino 2.25 0.0636 0.18
Gallina (2 Kg.) 0.18 0.0050 0.01
Heces humanas 0.40 0.0707 0.03
Ovino 2.80 – –
Equino 10.00 – –
Tabla 7.24 Disponibilidad de materia prima por día.
Las bacterias también necesitan fosfatos y aunque su exceso no es tan grave, su
carencia inhibiría el proceso. La razón C:P óptima es de 150: 1. El azufre es también
necesario pero se requiere menos que el fosfato. Sin embargo, si los desechos
contienen azufre en forma de ácido sulfhídrico (H2 S) al quemar el metano se
presentan problemas de corrosión.
También son necesarios, en pequeñas concentraciones, los siguientes elementos:
calcio, magnesio, potasio, hierro y zinc. El monóxido de carbono es necesario para la
reacción de metanogénesis. Las bacterias necesitan vitaminas para su crecimiento,
pero ellas mismas sintetizan las que necesitan. Si la bacteria no dispone, habrá quien
se las facilite dentro de la población.
F. Materiales tóxicos.
Frecuentemente, los sistemas biológicos se ven afectados cuando la concentración de
los componentes rebasa los niveles normales. Las bacterias metanogénicas son
afectadas por la elevación de la cantidad de NH3, particularmente cuando el pH es
inferior a 7. No hay consenso sobre la forma en que las afecta la alta concentración de
AGV; según unos autores, son tóxicos después de 200 mg/l (ppm) cuando el pH es
alcalino. Sin embargo, en algunos digestores no se ha inhibido el proceso a pesar de
presentarse 10.000 mg/l (ppm) con pH alcalino. También la presencia de iones de
sodio y potasio en concentraciones altas puede afectar, y por esto se usa el hidróxido
de calcio para elevar el pH de los digestores.
Las sales de metales pesados pueden ocasionar problemas, pero en condiciones
alcalinas y en presencia de sulfito, precipitan y tienen poco efecto sobre el sistema. La
presencia, de cobre es un problema cuando se utilizan desechos de cerdos, pues éstos
contienen alrededor de 8.0 mg/l y el proceso se inhibe con solo 200 mg/l.
Los materiales sintéticos tóxicos (detergentes o hidrocarburos clorados como
cloroformo) y los detergentes en concentraciones de 15 mg/l pueden causar
dificultades, También son tóxicos los antibióticos, desinfectantes y pesticidas.
5.7.3.2. Factores operacionales.
Los componentes orgánicos e inorgánicos en el sustrato determinan un ecosistema; la
selección de bacterias debe hacerse basándose en su habilidad para metabolizar el
sustrato. La cantidad de metano producido depende del total de material que esté en
fermentación.
El monto de metano producido puede ser determinado por la descomposición del sus
trato, comprobando la reducción del material orgánico (Froree, 1968).
A. Tiempo de retención.
El tiempo de retención (TR) es el período que tarda el material dentro del digestor
para ser degradado. Se calcula dividiendo la capacidad del tanque por la tasa a la
que la materia orgánica es introducida en él.
El tiempo mínimo de retención es de 2 a 4.días, que es lo que tardan las bacterias para
multiplicarse. Si el tiempo de retención se reduce, se lavan las bacterias y se
Interrumpe el ciclo. Usualmente, el TR promedio oscila entre 20 y 30 días, y su
duración está muy relacionada con la temperatura. En trabajos realizados en Sto.
Domingo con digestores de laboratorio se encontró que, aumentando la temperatura,
se obtenía una producción de gas óptima con un tiempo de retención corto (Elfrida de
González, 1975).
Por otra parte, Mauricio, Boodoo y Preston (1979) trabajando con estiércol de bovinos
alimentados con caña de azúcar, utilizando digestores forrados con fibra de vidrio, y
de una capacidad de 200 litros, vieron que con diferentes TR (entre 10 y 20 días) la
producción diaria decrecía con el tiempo, pero que la eficiencia por unidad de MS y
MO que entró al digestor mostró un aumento lineal según el tiempo de retención.
B. Cantidad de sólidos y dieta del animal.
Utilizando digestores de flujo continuo, sin mezclaje y a temperatura ambiental en
Sto. Domingo, se encontró que, a medida que se aumentó el porcentaje de sólidos
totales de estiércol, la producción de gas se incrementó linealmente. Los porcentajes
usados fueron 1, 3, 5 y 8% de MS. Al aumentar el porcentaje de sólidos en el digestor,
debemos tener en cuenta los convenientes que podrían traer la formación de nata y
dificultad al tratar de utilizar el estiércol digerido como abono (bombas). Las dietas
comparadas aquí fueron caña de azúcar y melaza, ambas con características físicas
muy diferentes. Los resultados arrojaron diferencias significativas, de 0.8 entre las
pendientes de las dos rectas.
C. Mezclaje.
El digestor puede ser diseñado para que se haya mezclado o no. El mezclaje se puede
hacer por medio del flujo o en forma mecánica y tiene la ventaja de que el sustrato
está muy unido, que las bacterias tienen mayor distribución dentro de él y que la
formación de nata es mínima, sabiendo que ésta se puede constituir en una barrera
para el escape de gas.
D. Calentamiento.
Para mantener constante la temperatura en el digestor y evitar los cambios que
dañan a la población microbiana, puede recurrirse al calentamiento usando su
misma energía y cualquiera de las siguientes formas:
Calentamiento interno: poniendo tubos dentro del estiércol u haciendo pasar agua
caliente a través de ellos.
Calentamiento externo: por medio de intercambiadores de calor: Llama directa ó
vapor directo
E. Diseño del digestor.
En el momento de construir el digestor, en su interior se pueden colocar pequeños
paredes muy corrugadas, para que las cavidades sirvan de alojamiento a las
bacterias. En caso de ser vaciado el tanque, las bacterias no serán barridas
totalmente, sino que quedarán cepas para futuras poblaciones.
F. Inoculación.
Para mejorar la producción de un digestor pueden inocularse cepas de las mejores
especies, seleccionadas con base en la experiencia por su buena producción de gas.
Importante:
• Aunque hay muchos factores que afectan la población bacteriana, si el digestor
es cargado con material adecuado se regula por sí solo.
• El pH es el mejor indicador de la salud del digestor.
• Los dos factores más importantes que afectan la producción del gas son:
temperatura y porcentaje de sólidos.
• La mayoría de los materiales orgánicos pueden ser degradado y usados para
la producción de biogás, si la razón C:N se conserva y el pH se regula.
5.8. Producción microbiana y eficiencia del biodigestor.
5.8.1. Microbiología y bioquímica del proceso anaeróbico.
El tratamiento anaeróbico de materias orgánicas se considera un proceso en dos
etapas como se indica en la siguiente ilustración:
Ilustración 7.35: Etapas del proceso anaeróbico.
En la primera etapa, la materia orgánica compleja es transformada por un grupo de
microorganismos facultativos y anaeróbicos a materiales orgánicos más simples. Así,
las grasas, las proteínas y los carbohidratos son primeramente convertidos en
sustancias más simples, en su mayoría ácidos grasos. Los microorganismos
responsables de tal transformación son conocidos en conjunto como acidogénicos o
formadores de ácidos.
En este grupo se encuentran especies de Clostridium, Desulphovibrio,
corynebacterium, Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus y Eschechia coli.
Durante esta etapa no hay formación de metano ni estabilización del sustrato.
En la segunda etapa, los ácidos orgánicos son convertidos por las bacterias
metanogénicas o formadoras de etano en dióxido de carbono y metano
principalmente. Estas bacterias, que incluyen Metanobacteium, Metanobacillu,
Metanococcus y Metanosorcina, son estrictamente anaeróbicas y de lento
crecimiento. Esta etapa, en la que ocurre la estabilización del sustrato, es la limitante
del proceso.
Cada especie de bacterias metanogénicas es capaz de fermentar un reducido número
de compuestos orgánicos. Así, la fermentación completa del ácido acético requiere
solo una especie de bacterias formadoras de metano, pues su fermentación ocurre en
una etapa como puede apreciarse:
Ácido acético.
CH3 COOH → CH4 + CO2 (7.10)
Ácido propiónico.
La fermentación del ácido propiónico ocurre en dos etapas, cada una realizada por
una especie diferente de metanógenos.
CH3 CH2 COOH + ½ H2O → CH3 COOH + ¼ CO2 + ¾ CH4 (7.11)
CH3 COOH → CH4 + CO2 (7.12)
Reacción Neta.
CH3 CH2 COOH + ½ H2O → 5/4 CO2 + 7/4 CH4 (7.13)
Los formadores de metano pueden utilizar como sustrato a los ácidos grasos de 6 ó
menos átomos de carbono, a los alcoholes de 1 a 6 átomos de carbono y a tres gases
inorgánicos: hidrógeno, monóxido y dióxido de carbono.
En la ilustración 3.61 se muestra la conversión de sustrato complejos a metano. Los
porcentajes indicados corresponden a la fermentación de materiales con composición
similar a la de los lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas negras.
Cerca del 72% del metano proviene del ácido acético y un 13% proviene del ácido
propiónico. De aquí la enorme importancia que tiene en el proceso las bacterias que
fermentan estos ácidos. El resto del metano proviene de variadas fuentes, por
ejemplo, del ácido fórmico.
Ilustración 7.36: Conversión de sustratos complejos a metano.
Dado que las poblaciones metanogénicas tienen diferentes fuentes de alimentación y
diferentes tasas de crecimiento, al inicio de un proceso anaeróbico no hay una
significativa producción de metano. El proceso no es completamente operacional
hasta tanto todas las poblaciones estén presentes. Para acelerar la puesta en marcha
de un biodigestor, se involucra con las poblaciones requeridas por los sustratos
presentes en la alimentación.
La conversión de la materia orgánica a metano procede a través de complejas etapas
bioquímicas. Aunque se conoce poco acerca de ellas, algunos estudios han mostrado
que los principales mecanismos de formación de metano son:
Rompimiento del ácido acético:
CH3 COOH→ C H4 + CO2 (7.14)
El grupo de metilo del ácido forma metano al unirse al hidrógeno del carboxilo.
Reducción del dióxido de carbono:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (7.15)
El hidrógeno, que es enzimáticamente removido de los compuestos orgánicos, reduce
parte del dióxido de carbono producido en el proceso anaeróbico a metano.
La estabilización de la materia orgánica está directamente relacionada con la
producción de metano, la que puede predecirse estequiométricamente a partir de la
composición química de la alimentación. O bien, a partir de la D.Q.Q. (Demanda
Química de Oxígeno) o de la D.B.O. (Demanda Bioquímica de Oxígeno) que ha sido
estabilizada.
Así, si la alimentación tiene una composición Cn Ha Ob, la producción de metano puede
calcularse con:
CHbanCObanOHbanOHC ban ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅++⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅→⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅⋅+
48248224 22 (7.16)
También, por cada libra de D.B.O. ó D.Q.O. estabilizada, se producen 5.65 pies
cúbicos de metano (condiciones normales).
Como ya se mencionó la producción de metano brinda una medida directa del grado
de estabilización de un sustrato y de la eficiencia del biodigestor.
Por ejemplo si 1.500 lbs de D.Q.O. alimentado producen solo 5.620 pies cúbicos de
metano, solamente 1.000 lbs de D.Q.O. están siendo estabilizadas y la eficiencia del
biodigestor es apenas de un 67%.
En los siguientes gráficos se muestra la cantidad de D.B.O. y D.Q.O removidos de dos
tipos de biodigestores:
Gráfico 7.15: Remoción de la DBO en biodigestores de geomembrana y plástico en clima medio
Gráfico 7.16: Remoción de la DQO en biodigestores de geomembrana y plásticos en clima medio
5.8.2. Cinética del crecimiento bacteriano.
El adecuado control de las condiciones ambientales proveerá un medio apropiado
para el desarrollo de la población bacteriana. Para asegurar que esto ocurra. Las
bacterias deben estar en el sistema el tiempo suficiente para que reproduzcan. Este
período depende de su tasa de crecimiento, que está directamente relacionada con la
tasa de consumo del sustrato. Si las condiciones ambientales son controladas en
forma adecuada puede obtenerse una efectiva estabilización del sustrato únicamente
controlando la tasa de crecimiento de los microorganismos.
Varios investigadores han descrito matemáticamente el crecimiento de las
poblaciones bacterianas de la siguiente manera:
dX dF= Y bXdt dt
⎛ ⎞⋅ ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠
(7.17)
Donde:
dX/dt = Crecimiento de microorganismos, masa por unidad de tiempo.
dF/dt = Tasa de consumo de sustrato (masa por unidad de tiempo).
X = Masa de microorganismo presentes.
b = Tasa de decaimiento de los microorganismo (tiempo –1).
Y = Coeficiente de producción. (masa de microorganismo formados / mg sustrato
consumido).
La tasa de consumo de sustrato puede representarse por una expresión similar a la
usada por Monod para describir la relación entre la concentración de un nutriente
limitante y el crecimiento de microorganismos:
dF k S = dt Ks + S
⋅ (7.18)
Donde:
K = Tasa máxima de consumo del sustrato.
Ks = concentración del sustrato para lo cual dF / dt es la mitad de la tasa máxima de
consumo.
S = concentración de sustrato.
Combinando las ecuaciones (7.17) y (7.18), se obtiene la tasa específica de crecimiento.
dX/dt
X (7.19)
que es la fracción de crecimiento por unidad de tiempo que se presenta con letra
griega µ .
Y K S=Ks + S
µ ⋅ ⋅ (7.20)
Definiendo:
MAXY K = µ⋅ , como la tasa máxima específica de crecimiento, la ecuación (7.21) puede
expresar como:
MAXS= b
Ks + Sµ µ ⎛ ⎞⋅ ⋅⎜ ⎟
⎝ ⎠ (7.21)
En un sistema de alimentación continua y completamente mezclado, el estado de
equilibrio se alcanzará cuando las cantidades promedio de microorganismos
producidos y desechados del sistema diariamente sean cuales; o sea que:
0MIN
MAX 0
1 1 Ks + STRS = = = dX/dt = X/ tSµ µ
⎛ ⎞⋅ ∆ ∆⎜ ⎟⎝ ⎠
(7.22)
En este punto, la concentración de sustrato en el efluente es igual a S (ecuación 7.21).
Es mucho más conveniente trabajar con el recíproco de la tasa específica de
crecimiento: X/( X/ t)∆ ∆ . Este valor es conocido como: tiempo de retención de sólidos
biológicos (TRS) que es el período de retención promedio de los microorganismos en el
sistema y se define como:
X Sólidos suspendidos en el sistemaTRS = =
X/ t Sólidos suspendidos removidos por día∆ ∆ (7.23)
Existe un TRS mínimo bajo el cual e proceso de tratamiento falta, debido a que los
microorganismos son removidos del sistema más rápidamente de lo que ellos pueden
reproducirse. El mínimo TRS se alcanza cuando las concentraciones de sustrato en la
alimentación y en el efluente son iguales. Por lo tanto, considerando b despreciable en
la ecuación:
0MIN
MAX 0
1 1 Ks + STRS = =Sµ µ
⎛ ⎞⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠
(7.24)
Donde: So = Concentración de sustrato en la alimentación o en la entrada al
digestor.
El tiempo mínimo de retención de sólidos es uno de los principales parámetros de
diseño. En la práctica, debe usarse un factor de seguridad, de tal manera que el TRS
sea 2 a 10 veces mayor que el TRS mínimo.
En general, a mayores TRS usados, el tratamiento será más eficiente, pero el costo
será mayor. El TRS que debe usarse en diseño depende del grado de estabilización del
sustrato requerido y del criterio del ingeniero.
5.9. Condiciones ambientales óptimas.
Las bacterias metanogénicas requieren cierto tiempo para ajustarse a cambios en las
condiciones ambientales, por lo que es recomendable que en el diseño y operación se
tomen en cuenta las condiciones óptimas para que pueda obtenerse una mayor
eficiencia en el tratamiento.
La siguiente tabla resume las condiciones óptimas para el tratamiento anaeróbico.
1. Temperatura óptimas
Rango mesofilico: 30 – 37 °C
2. Condiciones anaeróbicas
3. Suficientes Nutrientes
Nitrógeno
Fósforo
Micronutrientes
4. pH óptimo: 6.6 – 7.6
5. Ausencia de materiales tóxicos
Tabla 7.25 Condiciones óptimas para el tratamiento anaeróbico.
A mayor temperatura, el proceso es más rápido y más eficiente, pudiéndose utilizar
reactores más pequeños. Sin embargo, el gasto energético adicional que debe
realizarse para mantenerse la alimentación a tales temperaturas puede hacer que el
proceso resulte antieconómico. Por lo tanto, la mayoría de los digestores operan en el
rango mesofílico.
Deben mantenerse condiciones anaeróbicas; por eso los biodigestores son tanques
cerrados, lo que a la vez facilita la recolección del biogás para usarlo como
combustible.
El proceso anaeróbico depende de las bacterias que, para crecer, necesitan de
nutrientes inorgánicos como nitrógeno, fósforo y trazas de otros elementos.
El pH es uno de los más importantes factores ambientales. El rango de pH óptimo
para el tratamiento anaeróbico es 6.6 a 7.6. A valores de pH inferiores a 6.2, la
eficiencia decae rápidamente y las condiciones acídicas producidas son tóxicas para
los metanógenos.
Existen muchas especies orgánicas e inorgánicas que son tóxicas o inhibitorias del
proceso anaeróbico. La concentración en que una especie se considera tóxica o
inhibitoria varía desde menos de 1mg/litro hasta algunos miles de mg/litro.
5.10. Indicadores de desbalance.
Un digestor fuera de balance es aquel que está operando a una eficiencia menor que
la normal. En muchos casos la eficiencia decrece hasta cero, produciéndose un paro
total del proceso.
Para que la estabilidad del proceso se mantenga, los ácidos formados a partir de los
materiales complejos deben ser rápidamente consumidos por las bacterias
metanogénicas. Si los formadores de metano no están presentes en cantidad
apropiada, se produce un aumento en la concentración de los ácidos, decreciendo el
pH, lo que puede causar la muerte de toda la población bacteriana.
Un decrecimiento en el pH, en la producción total de gas y en el grado de
estabilización del sustrato, así como un aumento en la concentración de ácidos
volátiles y en el porcentaje de dióxido de carbono en el gas son indicadores de
desbalance en un biodigestor.
5.10.1. Causas y control del desbalance.
El desbalance de un digestor es temporal si es debido a cambios súbitos en la
temperatura, la carga orgánica o la naturaleza de la alimentación, es prolongado si
es debido a la introducción de materiales tóxicos, a un decrecimiento extremo de pH, o
a una insuficiente población metanogénica.
Para controlar un digestor fuera de balance se debe mantener el pH cercano a la
neutralidad, ya sea disminuyendo la alimentación, adicionando hidróxido de calcio, o
ambos. Luego se determina las causas del desbalance y una vez corregido el
problema, se mantiene el pH apropiado hasta que el sistema retorne a condiciones
normales.
5.10.1.1. Adición de hidróxido de calcio al digestor.
El hidróxido de calcio (cal) es el material más empleado en el control del pH en el
tratamiento anaeróbico, principalmente porque es relativamente barato y fácil de
conseguir.
Generalmente se adiciona hidróxido de calcio cuando el pH está entre 6.5 y 6.6. La
alcalinidad aumenta debido a la formación del bicarbonato de calcio.
Ca (OH)2 + 2CO2 → Ca (HCO3)2 (7.25)
El bicarbonato de calcio, no es muy soluble y cuando la alcalinidad aumenta a 500 –
1000 mg/l, la adición de mayor cantidad de cal produce la formación del insoluble
carbonato de calcio.
Ca (OH)2 + CO2 → Ca CO3↓ + H2O (7.26)
Posteriores adiciones de cal no aumentan la alcalinidad, ni tienen afecto directo en el
pH del digestor. El pH permanece entre 6.5 y 7.0 hasta que a concentración de dióxido
de carbono haya disminuido a menos del 10% debido a las reacciones con hidróxido
de calcio. Como resultado del decrecimiento en el porcentaje de dióxido de carbono, el
pH aumenta hasta casi 8. Después de un corto tiempo, la actividad biológica se
reanuda y el porcentaje de dióxido de carbono en el gas aumenta nuevamente. Tan
pronto como esto sucede, el pH decrece hasta 6.8. En resumen, ningún beneficio se
logra añadiendo cal cuando el pH es de 6.8, pues se combina con el dióxido de
carbono formando el insoluble carbonato de calcio que, además de incrustarse en el
digestor, es inefectivo para neutralizar os ácidos o para incrementar el pH.
Para un efectivo de la cal, esta debe añadirse solo cuando el pH es menor de 6.5, en
cantidad suficiente para aumentarlo a 6.7 – 6.8. Cuando el pH vuelva a descender a
6.4 – 6.5, se debe adicionar más cal. Si se sigue este procedimiento, el hidróxido de
calcio es un excelente material, barato y efectivo, para controlar el pH.
El bicarbonato de sodio es bastante soluble, no produce efecto tóxicos y no reacciona
con el dióxido de carbono; sin embargo, no es muy usado para el control del pH
porque es más caro que la cal.
5.10.1.2. Control de la toxicidad o inhibición.
La presencia en el digestor de altas concentraciones de metales alcalinos y alcalino
férreos resulta perjudicial al proceso anaeróbico. Por ejemplo, concentración de
8000 mg/litro, 12000 mg/litro, 8000 mg/litro y 3000 mg/l de sodio, potasio, calcio y
magnesio respectivamente, son altamente inhibitorias, disminuyendo en gran parte
la eficiencia del proceso.
El amoníaco se forma en el tratamiento anaeróbico por degradación de proteínas o
urea.
El equilibrio NH4 + ------------ NH3 siempre está presente:
+ +4 3H NH + H
Cuando la concentración de NH3 – N es de 1.500 – 3.000 mg/litro y el pH es 7.4 – 7.6,
el gas amoníaco es inhibitorio. A concentraciones NH3 – N superiores a 3.000 mg/l, el
agente tóxico es el ión amonio (NH4 +), no importa el valor del pH.
Los sulfuros se forman en el tratamiento anaeróbico por reducción biológica por
degradación de proteínas sulfuradas.
Los sulfuros de metales pesados son insolubles y precipitan de la solución por lo tanto
no son tóxicos a los microorganismos. Los sulfuros solubles en concentraciones
superiores a 2000 mg/l son altamente tóxicos.
Bajas concentraciones de sales solubles de Zinc, cobre y níquel, son bastante tóxicas.
El cromo hexavalente también es tóxico, pero normalmente se encuentra como cromo
(III) a las condiciones de pH imperantes en el biodigestor. El cromo (III) no es muy
tóxico. Sales de hierro y aluminio no son muy tóxicos, debido a su baja solubilidad.
Muchas sustancias orgánicas producen desbalance en el biodigestor por que inhiben
el proceso anaeróbico o porque impiden el tratamiento satisfactorio del sustrato.
Con el objeto de alcanzar una alta eficiencia y una más económica operación de los
biodigestores, es recomendable mantener la concentración de estos materiales a
niveles bajos de toxicidad e inhibición. Algunos métodos de control son:
• Remover el tóxico de la alimentación.
• Diluir la alimentación para que la concentración de sustancias
indeseables se mantenga bajo los niveles de toxicidad.
• Formar complejos insolubles o precipitados.
• Antagonizar la toxicidad con otro material.
5.11. Ventajas y desventajas de la fermentación anaeróbica en la
producción de metano.
5.11.1. Ventajas.
El tratamiento anaeróbico tiene las siguientes ventajas:
1. Provee un alto grado de estabilización de la materia orgánica: 80 a 90% de
estabilización del sustrato.
2. Debido a que no hay formación de grandes excesos de células, la producción de
lodos biológicos es baja.
3. Los requerimientos de nutrientes inorgánicos tales como fósforo y nitrógeno son
bajos.
4. Como no hay aeración, se eliminan los gastos energéticos asociados con este
requerimiento de los procesos aeróbicos.
5. El gas metano producido es aprovechable como fuente de energía.
5.11.2. Desventajas.
El proceso anaeróbico también presenta algunas desventajas:
1. Como se necesitan relativamente altas temperaturas para una óptima operación
(30 a 35º) muchas veces es necesario calentar previamente el influente, lo que, en el
caso de alimentaciones con baja carga orgánica representa un gasto de energía, pues
estas no producen suficiente metano para suplir esa energía.
2. Se requiere de bastante tiempo para iniciar el proceso, debido al lento crecimiento
de las bacterias formadoras de metano, factor que también limita la agilidad con que
el proceso puede ajustarse a algún cambio repentino en las condiciones ambientales.
Para obtener un proceso eficiente de fermentación y por consiguiente una
buena producción de biogás, es necesario asegurar las condiciones
básicas requeridas por las bacterias productoras de metano para realizar
sus actividades de una forma normal (crecimiento, desarrollo,
multiplicación, etc). Estas condiciones son: Ambiente estrictamente
anaeróbico, temperatura apropiada, potencial de hidrógeno apropiado,
agitación, alcalinidad, ácidos volátiles, sólidos totales y sólidos volátiles.
El funcionamiento de un biodigestor es similar al de la digestión de los
rumiantes. En ambos casos, la condición principal es el estado
anaeróbico; el proceso se basa en la fermentación del material orgánico y
la finalidad es la producción de energía. En el caso de los rumiantes se
producen ácidos grasos volátiles (AGV) que son recursos energéticos para
el animal que en los digestores producen metano, un recurso energético
utilizado por el hombre.
En condiciones aeróbicas, los microorganismos utilizan la materia
orgánica como fuente de alimento y el oxígeno del aire para oxidar parte
de esa materia y así obtener energía. Ya que de esta oxidación se obtiene
gran cantidad de energía, el crecimiento microbiano es rápido y una gran
parte de la materia orgánica que se desea degradar se convierte en
nuevas células. La porción de material degradado no es realmente
estabilizado; únicamente ha ocurrido una transformación. Bajo
condiciones anaeróbicas, la conversión proporciona relativamente poca
energía a los microorganismos y aún así su tasa de crecimiento es muy
alta. Solo una pequeña parte de la materia orgánica se convierte en
nuevas células, siendo la mayor parte degradada a metano y dióxido de
carbono principalmente.
6. Biodigestores.
Existen diferentes términos para nombrar un biodigestor: digestor anaeróbico,
reactor anaeróbico, reactor biológico o simplemente digestor, este sistema es un
depósito completamente cerrado, es decir, en condiciones totalmente anaeróbicas,
donde los desechos urbanos o naturales (sustratos orgánicos biodegradables) son
digeridos, en otras palabras son reducidos o degradados a elementos más simples de
gran utilidad como son el biogás y el bioabono que sirven como combustible y como
abono o alimento para peces y patos respectivamente, como ya veremos más adelante
un biodigestor puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento,
metal o plástico. En general los biodigestores poseen un ducto de entrada a través del
cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las
aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y
un ducto de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona
el biodigestor.
Ilustración 7.37: Biodigestores para la producción de energía eléctrica en Alemania,
Alemania es uno de los países en donde se han desarrollado con mucho éxito los mas
variados proyectos de aprovechamiento de biomasa.
Fuente: www.aqualimpia.com/ Biodigestores_Biodigestor.htm
6.1. Características esenciales de un biodigestor.
Para que un biodigestor de deshechos orgánicos opere en forma correcta, deberá
reunir las siguientes características:
a) Deberá de ser hermético con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere
con el proceso y fugas del biogás producido.
b) Deberá estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de
temperatura, lo que usualmente se consigue construyéndolos enterrados.
c) Aún no siendo un recipiente de alta presión, el contenedor primario de gas
deberá contar con una válvula de seguridad.
d) Deberá contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema.
e) Los digestores deberán tener acceso para mantenimiento.
f) Se deberá contar con un medio para romper las natas que se forman.
6.1.1. Elementos que componen un biodigestor.
Ilustración 7.38: Partes principales de un biodigestor.
6.1.2. Cámara de carga.
Esta cámara adquiere distintas formas y tamaños de acuerdo al diseño del digestor y
materiales de construcción empleados, en la misma se introduce el material a
fermentar, se mezcla en las proporciones adecuadas con agua y se homogeniza. Una
vez cumplidos estos pasos, el material puede penetrar al biodigestor. Puede utilizarse
agua caliente en la mezcla para evitar la introducción de material frío en la biomasa.
6.1.3. Conducto de carga.
Este conducto conecta a la cámara de carga con la de digestión. Por el mismo circula
el material ya preparado por acción de la gravedad, elementos mecánicos o por
medio de bombas.
6.1.4. Cámara de digestión.
En esta cámara el material permanece un determinado periodo de tiempo en el cual
ocurre la degradación y liberación de biogás. Suele estar provista de implementos que
impiden la formación de costras en la parte superior y faciliten el desprendimiento del
gas, produciendo una remoción y homogenización de la biomasa.
6.1.5. Gasómetro.
Su función es actuar de pulmón de almacenamiento en los momentos donde no existe
consumo de gas pues la producción de biogás es ininterrumpida a lo largo de todo el
día. Puede estar incorporado al digestor flotando sobre el mismo o separado de aquél.
Se construyen de materiales muy diversos (chapa, plástico) y tienen mecanismos que
permiten regular la presión del gas en la red de distribución.
6.1.6. Conducto de descarga.
Comunica la cámara de digestión con el exterior, evitando la entrada de aire externo
al interior de la misma. El material puede ser movido por principio de vasos
comunicantes o por bombeo.
6.1.7. Cámara de descarga.
En este lugar se acumula el material una vez digerido. La misma puede tener distintas
dimensiones y formas y en algunos casos no existe pues el material se deriva
directamente por canales.
6.2. Tipos y diseños de biodigestores.
6.2.1. Tipos de biodigestores.
Resulta conveniente clasificar los biodigestores, según su modo de operación, en los
siguientes tipos:
• De lote (régimen estacionario o “Batch”).
• De régimen semicontinuo.
• Horizontales de desplazamiento.
• De régimen continuo.
• Otros.
6.2.1.1. Digestores de lote (régimen estacionario o “Batch”).
La carga se realiza una sola vez y la descarga se efectúa una vez que se ha dejado de
producir gas combustible. Normalmente estos consisten en tanques herméticos con
una salida de gas conectada a un gasómetro flotante, donde se almacena el biogás.
Este sistema es aplicable en situaciones particulares tales como:
• Materia orgánica que presenta problemas de manejo en un sistema continuo.
• Cuando la materia a procesar está disponible en forma intermitente. En esos
casos se usan varios digestores cargados a diferentes tiempos para tener
siempre biogás disponible.
• Cuando el interés primordial es la obtención de abono orgánico, el cual se
requiere en épocas específicas del año; en este caso, la carga se hace al tener
disponibles los desechos y la descarga una o dos veces por año, en la época de
siembra.
• Así también el digestor a régimen estacionario o de lote, es ideal cuando a
nivel de laboratorio se desean evaluar los parámetros del proceso o el
comportamiento de un desecho o mezcla de desechos.
Un digestor de este tipo es el diseño OLADE – GUATEMALA, del que se presenta
un esquema a continuación:
Ilustración 7.39: Digestor tipo OLADE – GUATEMALA.
6.2.1.2. Digestores de régimen semicontinuo.
Este es el tipo de digestor más usado en el medio rural, cuando se trata de sistemas
pequeños para uso doméstico. Los diseños más populares de este tipo de digestores
son el de tipo Hindú y el de tipo Chino.
A. Digestores tipo Hindú.
Existen varios diseños de estos digestores, pero en general son verticales y
enterrados, semejando un pozo, como se ve en la figura. Se cargan por gravedad una
vez al día, con un volumen de mezcla que depende del tiempo de fermentación o
retención y producen una cantidad diaria más o menos constante de biogás si se
mantienen las condiciones de operación.
El gasómetro está integrado al sistema, o sea que en la parte superior del pozo tiene
una campana donde se almacena el gas, balanceada por contrapesos, y de esta sale el
gas para su uso; en esta forma la presión del gas sobre la superficie de la mezcla es
muy baja, de menos de 20 cm de columna de agua, lo que facilita su salida desde el
seno de la misma. Además, la presión de utilización del biogás es constante, lo que
permite una operación eficiente de los equipos a los que se alimenta. En caso de
requerirse una presión mayor, simplemente se quitan los contrapesos o se colocan
sobre la campana. Por lo general el volumen del gasómetro es del orden de un 1/3 del
biogás generado al día.
Ilustración 7.40: Sistema discontinuo – modelo Hindú.
Planta de biogás diseñada por SINGH.
Estación de investigación GAS GOBAR –India.
La entrada de carga diaria por gravedad hasta el fondo del pozo, además de producir
agitación, provoca la salida de un volumen equivalente de lodos digeridos, desde la
superficie o desde el fondo, según el diseño del sistema, los que se hacen fluir hasta
una pileta para su aplicación a los cultivos.
El digestor normalmente se construye de ladrillos, con un aplanado interior de
cemento pulido para evitar filtraciones, pero también puede utilizarse otros
materiales de construcción comunes en la región. La campana puede construirse de
láminas de hierro, de fibra de vidrio o de otro material, con la condición de que no
permita la fuga del gas. El material de construcción de la campana se deberá
seleccionar con cuidado, ya que esta parte del sistema puede resultar costosa.
Este tipo de digestor presenta una buena eficiencia de producción de biogás,
generándose entre 0.5 y 1 volumen de gas por volumen de digestor, y aún más. Como
la campana está a nivel del suelo, es fácil sacarla una vez al año para limpiarla,
pintarla y al mismo tiempo extraer las natas que se ha formado en la superficie de la
mezcla. Se tiene control sobre el material que se alimenta, lo que permite una
operación uniforme.
Para la correcta operación de un biodigestor que genere suficiente biogás como para
satisfacer las demandas energéticas de una familia, se requiere contar con alrededor
de tres vacas o su equivalente en otros residuos, lo que en algunos casos podría ser un
problema si no se cuenta con ganado estabulado.
Su costo en general es mayor que en el caso de los digestores tipo chino que se
describirán a continuación; sin embargo, al calcular el costo, deberá tenerse en
cuenta que para producir la misma cantidad de biogás, el volumen de digestor tipo
Hindú requerido es aproximadamente un tercio del volumen requerido si se emplea
un digestor Chino.
B. Digestores tipo Chino.
Los digestores de este tipo, como el que se muestra en la siguiente figura, son tanques
cilíndricos con el techo y el piso en forma de domo, y se construyen totalmente
enterrados.
Ilustración 7.41: Planta de biogás tipo “circular, pequeño y achatado” usado en la
República Popular China.
Al iniciar el proceso, el digestor se llena con residuos agrícolas composteados
mezclados con lodos activos de otro digestor, a través de la cubierta superior, que es
removible. Una vez cargado así, se va alimentando diariamente con los desechos que
se encuentren disponibles , proveniente de la letrina y de los animales domésticos, a
través del tubo de carga, el cual llega a la parte media del digestor.
En este tipo de digestores no existe gasómetro, almacenándose el biogás dentro del
mismo sistema. A medida que aumenta el volumen de gas almacenado en el domo de
la planta, aumenta su presión, forzando a los líquidos en los tubos de entrada y salida
a subir, y llegándose a alcanzar presiones internas de hasta más de 100 cm de
columna de agua. Como consecuencia de la variación de presión, la que sube al
generarse el gas y baja al comenzar a utilizarlo, se reduce la eficiencia de los equipos
en que se usa. Si la presión sube a valores muy altos, aumenta el riesgo de fugas de
gas a través de microporos en el domo y también la probabilidad de que se formen
fisuras por movimientos ligeros de las paredes. La fluctuación del nivel de la mezcla
en fermentación aumenta el contacto de la fase líquida con el oxígeno del aire,
reduciéndose la actividad de las bacterias generadoras de metano, y la alta presión
impide que el gas salga libremente del seno de la mezcla, todo lo cual conduce a una
menor eficiencia de generación de biogás en los digestores tipo Chino, en
comparación con los de tipo Hindú, generándose en el primero entre 0.15 y 0.2
volúmenes de gas por volumen de digestor.
Periódicamente se extrae una parte del líquido en fermentación a través del tubo de
salida, mediante una cubeta, el digestor se vacía completamente una o dos veces al
año, aplicando el residuo a los campos de cultivo.
Los digestores son construidos principalmente por los mismos usuarios, con
asesoramiento de un técnico especializado, a partir de ladrillos, bloques pre –
fabricados o por vaciado integral de concreto ligero sobre la propia tierra.
A pesar de que el digestor tipo Chino es poco eficiente para generar biogás, es
excelente en la producción de biobono, ya que los tiempos de retención son en general
largos, y además se tiene disponible una gran cantidad de este material cuando se
necesita para mezclar con la tierra antes de la siembra.
Dado que se emplea la técnica de autoconstrucción y que se hace uso de materiales
comunes, el costo de este tipo de digestor suele ser menor que el de tipo Hindú.
C. Digestores horizontales de desplazamiento.
Generalmente se construyen enterrados, son poco profundos y alargados, semejando
un canal, con relaciones de largo y ancho de 5 a 1 y de hasta 8 a 1 y sección
transversal circular, cuadrada o en ”V”. En las siguientes ilustraciones se representa
un diagrama de este tipo de sistema.
Ilustración 7.42: Digestor horizontal de desplazamiento.
Ilustración 7.43: Digestor horizontal desarrollado en Emilia, provincia de Santa Fe, el
biodigestor de la primera comuna de la Argentina que transformará la totalidad de sus
residuos domiciliarios orgánicos en biogás y abono. El biodigestor tiene una capacidad de
40.000 litros. El tratamiento de los residuos domiciliarios generará un caudal de biogás
que permitirá sustituir unos 15 kg de gas envasado por día. Emilia, 80 km. al norte de la
ciudad de Santa Fe, por la ruta nacional 11, es una población de 800 habitantes.
Fuente: www.ambienteyenergia.com.ar/.../ nota_0974.htm
Se operan a régimen semicontinuo, entrando la carga por un extremo del digestor, y
saliendo los lodos por el extremo opuesto. La cúpula puede ser rígida o de algún
material flexible que no presente fugas de gas y que resista las condiciones de
intemperie. El gas generado se colecta en esta cúpula, de la que puede pasar a un
gasómetro flotante.
Este tipo de digestor se recomienda cuando se requiere trabajar con volúmenes
mayores a 15 m3, para los cuales la excavación de un pozo vertical comienza a
resultar muy problemático. Este tipo de digestor está más orientado a la producción
de biogás, para aplicaciones comunales, como puede ser el accionar pequeños
motores para bombeo, molienda, o generación de electricidad.
6.2.1.3. Digestores de régimen continuo.
Este tipo de digestores se desarrollaron principalmente para el tratamiento de aguas
negras, y en la actualidad su uso se ha extendido al manejo de otros sustratos. En
general son plantas muy grandes, en las cuales se emplean equipos comerciales para
alimentarlos, proporcionarles calor y agitación, así como para su control. Por lo
tanto, este tipo de plantas son mas bien instalaciones tipo industrial, donde se genera
una gran cantidad de biogás el que a su vez se aprovecha en aplicaciones industriales.
La siguiente ilustración muestra un sistema de este tipo:
Ilustración 7.44: Digestor de régimen continuo.
6.2.1.4. Otros tipos de digestores.
La investigación en el tema de fermentación anaeróbica, buscando aumentar la
eficiencia de generación de biogás y de degradación de la materia orgánica
reduciendo el tiempo de retención, ha llevado al desarrollo de diversos tipos de
digestores, como son:
A. Filtros anaeróbicos.
En estos sistemas de alimentación continua y alta dilución ( 1 a 1.5% de sólidos
totales), por métodos físicos se logra retener los microorganismos dentro del digestor
por 20 o 30 días, mientras que el líquido activo pasa a través del sistema en tiempos
de 1 a 5 días. Con esto se logra reducir en forma significativa el tamaño de la planta,
con la consecuente disminución de los costos de instalación y operación, mejorando la
eficiencia de generación de biogás.
Ilustración 7.45: Detalle de un filtro anaeróbico para depuración de aguas servidas
mediante una poza séptica.
B. Digestores de etapas múltiples.
Diseñados para aislar grupos de bacterias en cámaras separadas, cada una de las
cuales trabaja en las condiciones óptimas para el desarrollo del tipo de
microorganismos que contienen.
Con este sistema se logra una degradación de la materia orgánica alimentada, con el
consecuente aumento de la cantidad de biogás generado.
C. Digestores de plástico.
Se les puede dividir en dos tipos: cilíndricos y piramidales. El material más
utilizado en la construcción son las membranas elastoméricas reforzadas. Estos
digestores a pesar de su bajo costo no han tenido todavía gran difusión debido a
dificultades en el manejo y datos de duración de los materiales con los cuales son
construidos. Superados estos problemas se espera que tengan éxito, pues abaratarían
considerablemente el costo inicial de todo sistema de biogás.
Ilustración 7.46: Digestor plástico tipo horizontal.
Ilustración 7.47: Digestor de plástico tipo piramidal.
6.3. Diseño y construcción de un biodigestor.
6.3.1. Parámetros de diseño.
6.3.1.1. Volumen del digestor.
Según los autores este término tiene distintas interpretaciones como pueden ser:
volumen de biomasa contenida, volumen de la biomas y el gasómetro,
volumen de gas producido por día. En nuestro caso tomaremos como correcta la
primera interpretación.
6.3.1.2. Volumen del gasómetro.
Este valor indica el valor máximo de almacenamiento de gas que posee el gasómetro
del digestor, incorporado al mismo como en el diseño Hindú o separado.
6.3.1.3. Volumen de carga.
Se refiere al volumen total de material ya diluido que penetra dentro del digestor por
día.
6.3.1.4. Tiempo de retención.
Como se vio anteriormente indica la cantidad de tiempo en días que permanece el
material dentro del digestor. Se obtiene en forma práctica dividiendo el volumen del
digestor por el volumen de carga diaria del mismo. Este valor varía según el tipo de
digestor, tipo de carga y la temperatura de funcionamiento.
6.3.1.5. Velocidad de carga.
Este parámetro expresa la cantidad de material orgánico que se introduce en el
digestor por día y por unidad de volumen del mismo, se expresa como Kg de sólidos
volátiles por día y m3 de digestor (Kg – S.V/día –m3 dig). Este parámetro es
muy importante pues determina el rendimiento y el tipo de digestor.
Todos los parámetros vistos están relacionados pues modificaciones en alguno de
ellos provoca una alteración en los demás. Es por ello que se deben tener en cuenta
para el diseño y dimencionamiento de un digestor.
6.3.2. Criterios de instalación.
Durante el diseño y antes de la construcción de un biodigestor se deben de tener en
cuenta los siguientes criterios:
6.3.2.1. Elección del lugar.
a) Este punto es de gran importancia pues incidirá en el éxito o en el fracaso de la
operación del digestor. Se tendrán en cuenta las siguientes premisas para
escoger el lugar definitivo:
b) El biodigestor debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas pues las
cañerías son caras y las presiones obtenibles no permiten el transporte a
mayores distancias.
c) El biodigestor se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los
desperdicios para evitar el acarreo que tarde o temprano atentara contra una
operación correcta del biodigestor, e implicara mayores costos.
d) El biodigestor debe de estar en un lugar cercano al de almacenamiento o uso
del efluente y con una pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida
del mismo.
e) El biodigestor se distanciara 10 a 15 metros del pozo de agua o fuente de agua
para evitar posibles contaminaciones.
f) El biodigestor se ubicara preferentemente protegido de los vientos fríos y
donde se mantenga relativamente estable la temperatura, tratando de que
reciba el máximo de energía solar.
En los casos prácticos donde es probable que no se puedan cumplir todas las premisas
se debe analizar en el lugar evaluando “In situ“ las ventajas e inconvenientes de la
ubicación definitiva. El siguiente plano muestra un ejemplo práctico de ubicación.
I
lustración 7.48: Ejemplo de ubicación ideal de una planta de biogás en una chacra.
6.3.2.2. Elección del diseño.
Esta decisión debe tomarse teniendo en cuenta:
a) Inversión que se esta dispuesto a realizar.
b) Energía que se quiere obtener.
c) Los materiales con que se cuentan (biomasa).
d) El tamaño del digestor.
e) Las características del lugar en cuanto a profundidad de napa o
mantos rocosos.
f) La simplicidad que se quiere lograr en el manejo.
g) Uso del efluente del biodigestor.
h) Temperaturas medias del lugar donde se instalará.
6.3.3. Dimensionamiento del digestor.
Para poder calcular el tamaño del digestor que se va a construir se necesita
fundamentalmente dos datos que son la cantidad de estiércol y/o deshechos orgánicos
que se puede recoger diariamente y que se utilizara en la alimentación del digestor y
la temperatura de funcionamiento que como hemos visto incidirá en el tiempo de
retención. En los casos en que el estiércol o residuos tiene otros usos se debe partir de
la cantidad de gas que se quiere lograr del digestor diariamente con este dato se
dimensiona el digestor para una determinada temperatura de funcionamiento
calculándose la cantidad de material a introducir por día y verificando con
posterioridad si alcanza la biomasa disponible.
6.3.4. Dimensionamiento del gasómetro.
Como hemos visto el gasómetro tiene la función de almacenar el gas especialmente
cuando la producción es mayor que el consumo en determinados periodos, este
motivo según la distribución del uso del gas durante el día variara la dimensión del
mismo. En un extremo tenemos caos donde el consumo es constante a lo largo de todo
el día (heladera) donde el gasómetro seria casi innecesario y tendrá dimensiones
mínimas. En el otro extremo cuando existen fuertes consumos durante pocas horas
(motor funcionando 3 horas) el gasómetro tendrá grandes dimensiones pues debe
acumular biogás durante las 21 horas restantes del día.
Para cada caso particular es aconsejable realizar el cálculo. En forma general para
usos en alumbrado y cocina se deben contar con gasómetros capaces de almacenar el
60% de la producción diaria.
6.3.5. Red de distribución de gas.
A pesar de ser una red convencional, en el caso de biogás hay que tomar ciertas
medidas.
El biogás dentro de sus componentes contiene vapor de agua que se condensa en las
cañerías y debe ser eliminado para evitar taponamientos y pérdidas de presión. Para
solucionar este problema se recomienda que la red tenga una pendiente de 1:100
hacia un punto de mínimo nivel donde se acumulara el agua de condensación, lugar
donde se instalara una trampa de agua o sistema de drenaje del agua.
Cuando se utilizan digestores de campana fija (tipo chino) las presiones dentro de la
red pueden llegar a los 1000 mm de columna de agua por lo cual debe procurarse en
dichos casos utilizar buenos materiales y extremar los cuidados para evitar pérdidas
de gas. En estos casos hay que colocar válvulas de seguridad para evitar sobre
presiones peligrosas.
6.3.5.1. Tipos de cañería.
A. Plásticas.
Este tipo de cañería deben ser convenientemente protegidas para evitar roturas
por implementos mecánicos o animales. Cuando se utilizan tramos flexibles se
debe de tener especial cuidado para que al instalarse no queden ondulaciones
donde pueda acumularse agua.
Los tramos expuestos al sol se deben revisar periódicamente para detectar
posibles rajaduras y roturas por envejecimiento del material.
B. Galvanizado.
Han sido los más utilizados a pesar de su costo. Se deben de proteger con pintura
u otro medio para evitar la corrosión externa.
B.1. Diámetro de las cañerías.
Para realizar un correcto Dimensionamiento hay que tener en cuenta el largo total de
la red y el consumo máximo de gas (m3/h) para evitar pérdidas importantes de
presión por diámetros insuficientes.
6.3.5.2. Conexión del gasómetro.
Cuando los digestores están equipados con gasómetros móviles de conexión de gas
debe tener la salida debajo de la campana o si se realiza por la parte superior debe
equiparse con tubería flexible. Esta sección debe ser purgada periódicamente para
desalojar el agua de condensación, y revisada para detectar rajaduras y pérdidas
con agua jabonosa.
A. Llaves de paso.
Es aconsejable ubicar una llave de paso central lo más cerca posible al biodigestor
para poder cerrar el paso del gas a toda la red
En la elección de la llave se debe tener precaución de que las llaves de bronce no
contengan plomo, pues este metal es atacado por el gas, volviendo inoperable el
grifo de cierre.
B. Trampas de agua.
En la parte más baja de la red se ubican estos implementos paras permitir la
eliminación del agua, existen varios diseños, de los cuales seleccionamos los más
comunes:
B.1. Drenaje “T”.
Son útiles si están ubicados sobre la superficie del terreno por que si tienen que ser
ubicados en pozos resulta muy incómodo realizar la purga diaria al rellenarse este de
tierra e insectos. Requieren ser revisados cada dos o tres días para abrirlos y dejar
salir el agua acumulada.
Ilustración 7.49: Drenaje simple tipo “T”
B.2. Drenaje tipo botella.
Tienen la ventaja de ser automáticos y pueden ser colocados por debajo del nivel del
terreno. Solo presentan inconvenientes si el nivel de agua en el pozo debido a lluvias o
riego sobrepasa la columna de agua de presión del gas, en este caso el agua ingresará
a la red de gas.
Ilustración 7.50: Drenaje automático tipo botella.
B.3. Drenaje tipo sifón.
Este tipo presenta las mismas ventajas e inconvenientes que el anterior. Antes de
habilitar la red de gas debe llenarse con agua para evitar que el agua salga al
exterior por el dren.
Ilustración 7.51: Drenaje tipo sifón.
B.4. Drenaje tipo tambor 20 litros INTA.
Esta sencilla trampa se construye en base a un tambor de 20 litros y requiere una
inspección periódica para desagotar el agua acumulada.
Ilustración 7.52. Drenaje simple construido con latas de 20 litros.
6.3.5.3. Manómetro.
Resulta de gran utilidad conocer la presión que se tiene en la red para optimizar el
funcionamiento de los distintos aparatos y detectar posibles pérdidas de gas. Se puede
construir un sencillo manómetro de columna de agua en base a tubos de vidrio y
goma.
El que se puede apreciar en la figura, ha sido completado con una válvula de
seguridad que permite escapar el gas si se sobrepasa determinada presión.
BOTELLA
EL EXCESO DE GAS ESCAPAPOR LA TUBERÍA
BIOGÁS DESDE LA PLANTA
BIOGÁS PARA EL USO
TUBO DE VIDRIO
AGUA COLOREADA
TUBO DE GOMA
ESCALA
Ilustración 7.53: Manómetro de columna de agua con válvula de seguridad.
6.3.5.4. Filtro de sulfhídrico.
Cuando el biogás va a ser utilizado en motores y generadores se intercalan aparatos
medidores de gas es importante colocar en línea un filtro de sulfhídrico para eliminar
el pequeño porcentaje de ese gas corrosivo.
Este consiste como se aprecia en la figura de un tubo de mayor diámetro que se llena
con limaduras de Hierro, virutas de madera y óxido de Zinc. Para una mayor
eficiencia es aconsejable cambiar su contenido cada tres meses.
Ilustración 7.54: Filtro de biogás para retener el sulfuro de hidrógeno.
6.3.5.5. Regulador de presión.
Como se observa en la figura de abajo, cuando la presión es mínima la válvula (1) se
encuentra en posición abierta (1), permitiendo el paso de biogás del biodigestor hacia
el tanque de almacenamiento. Conforme la cantidad de gas aumenta en dicho tanque
la presión levanta la cúpula móvil, la cual está conectada con la válvula. Al subir la
cúpula, dicha válvula comienza a cerrarse (posición 2) hasta que llega un momento
en el que impide por completo el paso del gas. Conforme se utiliza el gas almacenado,
la cúpula baja y abre la válvula (posición 1) permitiendo de nuevo el paso del gas y así
sucesivamente.
Ilustración 7.55: Regulador de presión desarrollado en Nepal.
6.4. Arranque y operación de un sistema de producción de biogás.
6.4.1. Material.
El material que se utiliza comúnmente es estiércol de distintas especies. En el siguiente
cuadro se dan las producciones de las distintas especies a fines estimativos.
Rendimiento de
desechosa de 1
unidad
en biogás en biogás Materia
prima
kg/unidad - año m3/kg fresco m3/unidad - año
Kcal/unidad -
año
Estiércol
vacuno 6000 0.0372 223 1 164 000
Estiércol
equino 5000 0.0573 286 1 365 700
Estiércol
porcino 3000 0.052 156 744 000
Estiércol
ovino 800 0.152 121 580 000
Estiércol de
aves 25 0.091 2.28 10 868
Estiércol
humano 250 0.042 12 57 204
Desechos de
maíz 9988 0.190 1,898 9 046 200
Desechos de
arroz 3379 0.190 642 3 043 000
Tabla 7.26 Producción de biogás y energía proveniente de diferentes recursos.
a:Unidad animal o hectárea.
Fuente: Verástegui y Matero (1979).
Las diluciones recomendadas son del 6 al 10%, las cuales se logran con una relación
agua estiércol de 1 a 1.5, dependiendo de la humedad y porcentaje de sólidos del
estiércol.
En el caso de utilizar restos vegetales deben estar finamente picados para evitar
atascamientos y formación de costras en la parte superior de los biodigestores.
El material debe de ser mezclado y homogeneizado antes de permitirle la entrada al
digestor, para facilitar el mezclado se aconseja preparar las cargas con un día de
anticipación y dejarlas en la cámara de carga.
Se debe evitar el ingreso de aceites, jabones o detergentes pues perjudican la
digestión. Una fermentación aeróbica es aconsejable, para tener una oxidación
completa, reducir la acidez, calentar la biomasa y reducir gérmenes patógenos, en
otras palabras realizar un pre- compost.
6.4.2. Llenado del digestor.
Tanto en los digestores continuos como en los discontinuos el llenado debe de ser
completado en el menor tiempo posible.
En los digestores provistos de pared divisoria se debe llenar ambos compartimientos
para evitar roturas, esto se logra cargando el material directamente a la cámara de
digestión antes de colocar la campana.
Con el material a digerir para acelerar el arranque del digestor se aconseja introducir
estiércol fermentado de otro digestor, rúmen o material de una cámara séptica, si no
se puede contar con estos inóculos, el digestor tardará algunos días más en producir
biogás, dependiendo de la acidez del material utilizado.
6.4.2.1. Etapa de estabilización.
Es conveniente durante la primera semana luego del llenado del digestor no realizar
cargas para acelerar el arranque. Esta primera semana se caracteriza por una baja
producción de biogás con un alto contenido de dióxido de carbono. El pH será bajo
hasta estabilizarse en un nivel cercano a la neutralidad.
6.4.3. Operación y mantenimiento.
Una vez que la digestión se encuentra estabilizada el proceso puede continuar sin
interrumpidamente con un control adecuado.
Se debe tener siempre en cuenta que se está trabajando con organismos vivos, en este
caso bacterias; cualquier cambio brusco en el medio las afecta y por eso la
importancia de mantener lo más estable posible los parámetros para poder lograr
una producción alta y estable.
Debe tenerse en cuenta que aumentos en las carga no siempre ocasionan aumentos en
la producción y por el contrario en muchos casos causan el efecto inverso. Por lo tanto
una vez lograda la carga óptima del digestor debe mantenerse la misma a lo largo de
todo su funcionamiento.
6.4.3.1. Operación.
Como ya se señaló en párrafos anteriores, la producción de biogás depende en gran
parte del tiempo de retención, el porcentaje de sólidos totales y la temperatura a los
cuales se lleva a cabo el proceso.
E n el caso específico del medio rural, donde hay cierta limitación en la disponibilidad
de deshechos, no siempre sería factible manejar tiempos de retención muy cortos, por
lo que normalmente se opta por tiempos de retención o fermentación de 20 a 45 días.
Como ya se señaló, el volumen de carga diaria será igual al volumen del digestor
dividido entre el tiempo de retención.
Tampoco es posible controlar el porcentaje de sólidos en forma precisa, siendo
suficiente el de dar indicaciones de agregar de 1 a 1.5 volúmenes de agua por cada
volumen de estiércol fresco que se va a alimentar al sistema, y en esta forma
completar la carga diaria. Por ejemplo para cargar un digestor de 4 m3 tipo Hindú, se
indicaría al usuario que diariamente agregue 4 cubetas llenas de estiércol fresco y
entre 4 y 6 cubetas de agua, según lo seco que esté el estiércol en esa época del año.
Este régimen de carga llevaría a trabajar en condiciones de operación de
aproximadamente 30 días de tiempo de retención y 8% de sólidos totales.
También es conveniente señalar que el estiércol y el agua se deberán homogenizar lo
mejor posible, mezclándolos muy bien en la pileta de carga, antes de que entren al
digestor.
La temperatura es otro parámetro muy difícil de controlar en el medio rural. Como
ya se señaló, el construir el digestor enterrado ayuda a aislarlo térmicamente.
Cuando es posible se recomienda acoplar al colector un calentador solar de agua, ya
que al usar agua caliente para realizar la carga diaria se obtiene un incremento
importante en la cantidad de biogás producido.
A continuación se presentan datos experimentales de la operación de un digestor de
10 m3 tipo Hindú, trabajando con estiércol de vacunos a 8% de sólidos totales y a
temperaturas de 28 a 30 ºC, las que se lograron al efectuar las cargas diarias con
agua caliente proveniente de colectores solares.
Carga diaria
Tiempo de retención
(Días) (Kg est./día)
(l
agua/día) (l tot./día)
Producción de biogás
(l/día)
10 444 556 1000 14069
15 297 370 667 9450
30 148 185 333 7256
42 106 132 238 6886
45 99 123 222 4295
Tabla 7.27: Producción de Biogás de un digestor de 8 m3 tipo Hindú.
(Estiércol vacuno, 8% de sólidos totales, 28 a 30 ºC)
Fuente: Biogás, energía y fertilizantes a partir de deshechos orgánicos – OLADE - 1981
Como se ve en la tabla anterior, la producción diaria de biogás aumenta al disminuir
el tiempo de retención, lo cual es lógico, ya que la cantidad de estiércol alimentado al
día aumenta considerablemente al bajar este tiempo. Sin embargo, también de estos
datos se puede ver que la cantidad de biogás producido por cada Kg alimentado es
menor, entre menor sea el tiempo de retención; esto también es lógico, ya que al estar
xmenos tiempo sometida a fermentación, la materia orgánica se degrada menos, y
sale del sistema sin producir todo el biogás que es capaz de producir.
Estos datos nos indican que si se quiere favorecer la producción de biogás, se debe
tratar de trabajar a tiempos de retención cortos, mientras que si se quiere producir
un bioabono de mejor calidad, (o sea degradar lo más posible la materia orgánica), es
mejor trabajar a tiempos de retención largos.
6.4.3.2. Mantenimiento.
Es esencial que todos los componentes del sistema estén libres de fugas de gas para
eliminar pérdidas del mismo, y acumulación de gas combustible en áreas confinadas,
por motivos de seguridad, así como la entrada de aire al sistema lo que inhibe el
proceso. Por lo tanto, se deberán efectuar inspecciones rutinarias de por lo menos una
vez por semana, para asegurar que no se presenten este tipo de fallas, y permitir su
corrección en el momento de ser detectadas.
En las ocasiones en que se vacía el digestor, se deberá efectuar una inspección
cuidadosa del interior del mismo para detectar y corregir problemas de construcción
que pudieran haberse presentado. Se deberá aplicar también un recubrimiento a base
de pintura anticorrosiva a todas las partes metálicas internas del sistema, así como a
las tuberías y conexiones en constante contacto con el biogás.
En digestores tipo hindú con campana metálica, es recomendable quitar esta por lo
menos una vez al año, para pintarla como se ha mencionado, y al mismo tiempo
extraer las “natas” que se han formado en la superficie de la fase líquida.
6.5. Productos finales.
Los productos finales más buscados a través del método de fermentación anaeróbica
son el biogás, efluentes tales como el bioabono y el biol, claro está que esa búsqueda
como objetivo primordial o secundario de la producción de una planta de
fermentación anaeróbica dependerá de las necesidades primarias del usuario o futuro
beneficiario.
6.5.1. El efluente: bioabono sólido y líquido.
Durante la descomposición anaeróbica, se transforma entre el 20 y 50% de la materia
orgánica colocada en el biodigestor. La cifra se presenta dentro de este ámbito
dependiendo de la cantidad de materiales no digeribles que tenga la materia prima.
La lignina es un componente de la materia orgánica que no se descompone por
procesos anaeróbicos y representa entre un 30 y 40% de la materia orgánica del
efluente. El resto del efluente se compone de agua, materiales lípidos y celulosa no
digeridos y un 10 a 20% del sustrato inicial de las células bacterianas
descomponedoras.
La estabilidad biológica del efluente es evidente ya que no existen malos olores ni
atracción de insectos como moscas u otros. La mayor cantidad de materia orgánica
que queda en el efluente se descompone en forma lenta por acción de las bacterias
aeróbicas en el suelo o en el agua y así no sirve para alimento de insectos u otras
plagas dañinas a la agricultura.
El carbono, hidrógeno y oxígeno constituyen aproximadamente el 97% del biogás, y
representan las únicas pérdidas significativas de nutrientes de la materia prima. Sin
embargo, las plantas obtienen estos tres nutrientes directamente del agua o del aire y
su pérdida no llega a ser importante cuando el efluente es usado como fertilizante.
El material que se extrae de los biodigestores ha pasado ha tener en muchos países
mayor importancia y valor que el biogás debido a sus múltiples usos y a su gran
calidad.Este material si está estabilizado presenta poco olor, no atrae insectos y su
patogenicidad está fuertemente disminuida. En el siguiente cuadro se pueden
apreciar los principales componentes minerales.
Elemento Porcentaje
Nitrógeno 2 a 7%
Fósforo 1.1 a 1.9%
Potasio 0.8 a 1.2%
Tabla 7.28: Componentes minerales del efluente.
Fuente: Biogás, energía y biofertilización – INTA - 1983
Su composición varía de acuerdo al deshecho utilizado, y en promedio un análisis en
base seca es el siguiente:
pH 7.5
Materia orgánica 85%
Nitrógeno 2.6%
Fósforo 1.5%
Potasio 1.0%
Tabla 7.29: Composición del efluente.
Fuente: Biogás, energía y biofertilización – INTA - 1983.
Se han realizado ensayos de este material como fertilizante y mejorador de suelos,
obteniéndose en todos los casos muy buenos resultados, a continuación se exponen
resultados sobre Coliflor y Achicoria realizado en el INTA (Instituto Nacional de
Tecnología Agropecuaria) de la república de Argentina:
Ensayo coliflor
FOLLAJE FLOR (Kg)
DIFERENCIA
(%)
Testigo(sin bioabono) 133.4 34
Bioabono: 44 ton/ha 148.2 45 26.3
Bioabono: 59 ton/ha 163.2 43.8 13.8
Tabla 7.30: Resultados del abonado de Coliflor con efluente.
Fuente: Biogás, energía y biofertilización – INTA - 1983.
Cortes de achicoria
1º 2º 3º 4º 5º 6º
Testigo(sin bioabono) 100 100 100 100 100 100
Bioabono: 30 ton/ha 47 97 143 154 178 238
Bioabono: 60 ton/ha 45 98 133 136 141 206
Tabla 7.31: Efecto como enmienda de suelo degradado con achicoria.
Fuente: Biogás, energía y biofertilización – INTA - 1983.
La Aplicación de este en diferentes cultivos, ha aumentado, lo que ha disminuido
significativamente el consumo de agua, el uso de fungicidas y abonos químicos.
Se han recuperado suelos: salinos, desérticos, etc, obteniéndose productos biológicos
con sello verde.
Ilustración 7.56: Los alimentos ecológicos o naturales de la actualidad son cultivados con
fertilizantes naturales (compost y bioabono).
Es necesario hacer hincapié en la diferencia entre bioabono del término compost.
El compost es un sustrato biológico que se produce a partir de la degradación de la
materia orgánica en un determinado periodo de tiempo y condiciones ambientales
apropiadas. Por ejemplo para lo que son aguas negras estas son de 6 a 8 meses, con la
humedad promedio de 70%,pH de 2 a 10 y temperatura máxima de 45 ºC, mientras
que el bioabono es un abono orgánico obtenido a partir de la biotransformación de
residuos sólidos orgánicos, el cual puede tener consistencia sólida en cuyo caso se le
llama comúnmente BIOABONO o consistencia líquida la cual se conoce como BIÓL.
Si la degradación se ha realizado en un ambiente estrictamente anaeróbico se
denominará a este como BIOABONO, en cambio si se ha hecho en un medio aeróbico
se denominará simplemente COMPOST.
Ilustración 7.57: Compost producto del compostaje aeróbico en una granja.
Fuente: www.bae.uky.edu/ UK-ARC/nut_mng.htm.
La producción del compost con los parámetros antes mencionados, crea las
condiciones propicias para la generación espontánea de microorganismos, como:
Closthridium, Pseudomonas, Licheri- formes, Streptomices vulgaris, Coliformes,
Geotrichum,etc.,etc. cuya actividad se desarrolla obteniendo energía de componentes
Sulfatados; que emiten gases a la atmósfera y en algunos casos hay presencia de
patógenos como el Fumigatus y el Anthracis entre otros, que trasmiten el Carbunco al
ganado que posteriormente le transmite al Hombre, generándole problemas
respiratorios.
Hay una gran diferencia entre un Compost como el descrito y una buena composta,
como el bioabono:
• Este se produce generalmente en un Periodo de 35 a 40 días.
• Contiene microorganismos benéficos y Controla la Microflora y microfauna.
• Se maneja una Humedad máxima de 36%.
• La Temperatura máxima de 78 ºC grados.
• Apto para la Agricultura - Alimentos biológicos.
• Beneficia la economía del Agricultor ,Calidad y Rendimiento.
6.5.1.1. Caracterización química.
Como ya es conocido, para la producción del Biogás, los residuales orgánicos se
mezclan con diferentes proporciones de agua, que se le adiciona antes o durante la
preparación de la mezcla que se procesa en el digestor. Cuando las operaciones se
realizan de manera correcta, se produce el biogás en las cantidades previamente
calculadas y se generan los bioabonos sólidos y líquidos.
Es evidente que al producirse el biogás, hay una reducción del volumen inicial de
sólidos y por ende una mayor concentración de nutrientes (N, P, K, y otros) existentes
en el bioabono sólido.
En la siguiente tabla se expresan diferentes parámetros químicos de la biomasa, antes
y después de ser tratados o digeridos en la planta de biogás. Es obvio, que se reflejan
rangos de valores, ya que la composición de estos varía en función de diferentes
factores.
Análisis químico de los lodos del biogás (datos en %)
Parámetros Biomasa líquida
(sin digerir)
Efluente líquido
o bioabono
líquido digerido
(biól)
Efluente sólido
o bioabono sólido
digerido húmedo
(biosol)
Nitrógeno 0.7 – 0.8 0.1 – 0.3 1.5 – 3.5
Fósforo 0.9 – 1.2 0.08 – 0.1 1.2 – 2.5
Potasio 0.4 – 0.8 0.06 – 0.09 1.5 – 4.1
Calcio 8 – 14 6 - 10 3 - 5
Magnesio 2 – 4 1.5 – 2.5 0.5 – 1.1
Materia
orgánica
3.5 – 4.5 3 - 7 4.5 – 5.5
Ph 7 – 7-5 6.2 – 6.7 6 – 6.5
Humedad 93 – 97 90 - 95 60 - 70
Carbono 20 – 26 2 - 4 24 - 34
Relación C/N 28 – 33.1 14 – 20.1 16 – 18.1
Sales Solubles
Totales 1.0 – 2.0 0.8 – 1.5 0.2 – 0.5
Microelementos 0.02 – 0.03 0.01 – 0.015 0.04 – 0.05
Tabla 7.32: Análisis químico de de los lodos del biogás (Datos en %).
Fuente: http://cladead.com/cursos/AGRIC/AGRIC-000001/index.htm
Varios autores plantean que uno de los indicadores mas importantes para tener una
adecuada producción de biogás es cuando la relación Carbono / Nitrógeno de la
biomasa sin digerir, alcanza los valores de 25 a 35/1. En dicha tabla se ve claramente
que hay en todos los casos, contenidos de nutrientes, y que cuando se emplean
bioabonos en grandes cantidades, los aportes a suelos y cultivos son significativos.
Aunque nuestra intención es que las cifras que están en la tabla sean utilizadas para
todos los residuos existentes, debemos aclarar que se tratan de residuales generados
por animales, seres humanos y aguas negras o albañales.
En el caso de la industria azucarera donde se generan residuales de diferentes
composiciones, se pueden asumir valores similares a los que aparecen en la tabla,
para las cachaceras y mostos de lagunas facultativas. Sin embargo, los residuales
generados de la limpieza de los tachos, son de pH ácidos y de bajo contenido de
materia orgánica, no obstante algunos parámetros de dicha tabla pueden ser
utilizados también para estos últimos.
6.5.1.2. Caracterización física.
La biomasa sólida digerida, bioabono sólido o lodos puede presentar una humedad
entre 60 y 70%, la cual va perdiendo en la medida que transcurre el tiempo de
adecuación (postratamiento). Al final es un producto esponjoso, color pardo oscuro a
claro y con una humedad inferior al 50% (si se preserva de la lluvia). Presenta un
efecto residual en el suelo por mas de 2 años, comprobado en varios cultivos.
Resúmen de los expresado, con datos de muchos interés para el agricultor
Parámetros
Biomasa
líquida sin
digerir
Biomasa
líquida
digerida (biol)
Biomasa
sólida
digerida
fresca
Biomasa sólida
digerida
(bioabono)
Humedad Muy alta
(>95%)
Muy alta (>95%) Alta (60-70%) Baja (<50%)
Color Carmelita
oscuro a negro
Carmelita claro a
amarillento
Pardo claro Pardo claro a
oscuro
Olor Fuerte a sulfuro Débil a sulfuro Débil a sulfuro Tierra humedecida
Consistencia plástica Esponjosa y
granular
Efecto residual
en el suelo
Bajo Bajo Medio Alto >2 años
Poder
disolvente
Alto Alto Medio Bajo
Estado físico Emulsión
líquida
Solución líquida Sólido pastoso Sólido friable
Tabla 7.33: Características fisicoquímicas del biosol y biol para fines agrícolas.
Fuente: http://cladead.com/cursos/AGRIC/AGRIC-000001/index.htm
6.5.1.3. Microbiología del bioabono.
Un aspecto del cual debemos tener mucho cuidado para el empleo de bioabono en
suelos y cultivos, es lo relacionado a la microbiología y la cantidad de gérmenes
patógenos de los cuales son portadores y que pueden ser dañinos al hombre y los
animales en función a la procedencia de la biomasa de origen.
Está demostrado que la mayoría de los microorganismos dañinos perecen en un corto
periodo de tiempo durante el tratamiento anaeróbico o aeróbico.
Hay otros gérmenes termófilos que resisten un periodo de tiempo mayor, pero al final
son reducidos a unos pocos y no causan peligro en la generalidad de los casos. No
obstante, todas las medidas preventivas que podamos tomar son pocas, cuando se
trata de preservar la salud del hombre y de los animales.
En las siguientes tablas se presentan datos que demuestran, de manera convincente,
la eficiencia de los sistemas de tratamientos en la depuración de los lodos respecto a
los gérmenes patógenos.
La destrucción de organismos en la mayoría de los casos rebasa el 90%, sin embargo
hay bacterias facultativas como la Tifoidea B y la E. coli que pueden permanecer
vivas durante un prolongado periodo de tiempo dentro del digestor.
Microbiología de los lodos residuales. Resultados de análisis microbiológicos
Lodos Digeridos (UFC) Microorganismos
patógenos (UFC)* Lodos frescos (UFC)
[Muestra 1] [Muestra 2]
Gérmenes
aeróbicos 520 x 106 9 x 102 5.4 x 103
Enterobacterias 14 x 106 0.1 <0.1
Salmonellas 4 x 105 < 20 <20
(*) UFC Unidades formadoras de colonias
Tabla 7.34: Microbiología de los lodos residuales. Resultados de análisis microbiológicos.
Fuente: http://cladead.com/Cursos/AGRIC/AGRIC-000001/index.htm
Destrucción de organismos entericos durante el proceso de biogás
(fermentación anaeróbica ) - Panamá 1982
ORGANISMOS TEMPERATURA
(oC)
TIEMPO DE
RETENCIÓN
(DÍAS)
PORCENTAJE DE
DESTRUCCIÓN
Polivirus 35 2 98
Salmonella sp. 22-37 6-20 83
Salmonella
typhosa 22-37 6 99
Micobacterium
tuberculosis 30 40 100
Áscaris 29 15 90
Huevos de Parásito 30 10 100
Bacilus tifus "B" 28 45 95
Caracoles de
Tierra 32 32 100
Ancylostomas 35 50 92
Tabla 7.35: Destrucción de organismos entericos durante el proceso de biogás
(fermentación anaeróbica ) - Panamá 1982
Fuente: http://cladead.com/Cursos/AGRIC/AGRIC-000001/index.htm
Los porcentajes de viabilidad de los huevos de áscaris (gusano redondo), oscilaron
entre 63 - 93% después de 10 a 90 días disminuyendo al 20% después de 180 días. Las
bacterias parasitoides sobrevivieron 44 días y se observo que Schistosomas vivieron
hasta 37 días.
La desaparición de los parásitos y patógenos ha sido atribuida a la separación física
por la colocación en el asiento de los digestores y su mortalidad bajo condiciones
adversas.
6.5.1.4. Utilización del bioabono.
Como ya mencionó además de generar gas combustible, la fermentación anaeróbica
de la materia orgánica produce un residuo orgánico de excelentes propiedades
fertilizantes, evitando de esta forma la competencia que se podría presentar con el
aprovechamiento tradicional de los residuos animales y agrícolas con fines
fertilizantes o como combustible.
• Puede servir como materia prima para producir compostas mezclado con
rastrojos.
• Puede utilizarse para cultivos por hidroponía, en los cuales se proporciona a la
planta la humedad y los nutrientes que requiere la planta sin utilizar tierra.
• Se puede utilizar para fertilizar estanques de peces ayudando a formar su
alimento.
Las principales ventajas del efecto fertilizante de estos lodos radica en lo siguiente:
a) Posee mayor cantidad de nitrógeno que la materia prima original en base
seca, el que mediante el proceso de digestión se torna más asimilable por las
plantas.
b) Es un buen material para el mejoramiento de suelos.
c) A diferencia del estiércol fresco, no posee olores desagradables.
d) No contiene bacterias patógenas o semillas de malas hierbas, puesto que el
proceso de digestión las elimina.
e) Un metro cúbico de bioabono producido diariamente puede fertilizar 2 Ha de
tierra por año a un nivel de 200 Kg de N2 / Ha.
f) El incremento de la producción agrícola por el uso de bioabono puede alcanzar
un promedio de 10 – 20 %.
6.6. Seguridad.
El biogás si no es tratado y almacenado de forma correcta puede producir explosiones
debido a que su principal componente es el Metano, el cual tiene niveles de explosión
que van desde 5 hasta 15% (proporción en volumen con el aire).
Tomando en cuenta que la composición típica del biogás incluye entre 60 y 70% de
metano, los niveles de explosión son de 7 a 24% de biogás en aire (volumen).
Al encender fósforos o bien al producir chispas por choques metálicos, el biogás puede
alcanzar temperaturas entre 650 y 750 ºC, a las cuales puede deflagrar o explotar.
La densidad y su composición son también factores importantes en la seguridad, pues
tomando en cuenta que la densidad del aire es aproximadamente 1293 g/l y
considerando un contenido de dióxido de carbono de 35%, la densidad del biogás llega
aproximadamente a 1.09 g/l, este es más ligero que el aire y puede diluirse en él
fácilmente. Si la proporción de dióxido de carbono sobrepasa el 46%, el biogás se
vuelve más denso que el aire, incrementándose su límite de peligrosidad ya que puede
ser asfixiante cuando su acumulación causa que el oxígeno del aire baje a 17.3% y si
baja a 13% es positivamente sofocante.
Por todas estas razones, hay que tomar precauciones en el manejo del biogás,
similares a las que se tienen con cualquier gas combustible, es decir:
• Al llenar tanques con biogás, estos deben de estar libres de oxígeno, al
igual que las líneas de transporte y distribución.
• S e deben realizar pruebas de fugas.
• Cuidar que no hayan flamas, brasas, cigarrillos encendidos o calzado
con clavos que puedan producir chispas en las áreas de compresión y carga.
• Los locales donde se maneje el biogás deben ser altos y bien ventilados.
• Los extinguidotes deben ser de CO2 y polvo ABC
7. Análisis económico.
Para poder encarar este tipo de análisis se deben tener en cuenta los siguientes
puntos:
• Costo de los materiales.
• Costos de la construcción e instalación.
• Costos de mantenimiento.
• Duración aproximada de la construcción.
• Valor de los productos: Biogás y/o biofertilizantes.
• Valoración de otros bebeficios.
• Costos de operación.
Los productos que presentan mayor dificultad son los de valorización de los productos
y beneficios que brinda la planta de biogás por carecer estos de un valor comercial.
Para el caso del biogás se toma por lo general el costo de la energía alternativa
disponible en el lugar y en el caso de los biofertilizantes una estimación del reemplazo
de los productos químicos o enmiendas orgánicas que tendrían que efectuarse de no
contar con dicho material.
Las otra ventajas son de difícil estimación y dependen del interesado pues para cada
caso y cada persona se le asignará un valor subjetivo.
Con los datos de producción, de materiales para la construcción, las equivalencias del
biogás y las propiedades del biofertilizante, el técnico podrá realizar su costo
particular.
8. Diseño de una planta de biogás.
El diseño de una planta de biogás dependerá del tipo y cantidad de deshechos
disponibles, de las condiciones climáticas, así como de los materiales de construcción
de que se dispongan en cada sitio. Con objeto de minimizar la planta está deberá de
ser adecuada a cada necesidad, construida hasta donde sea posible con materiales y
mano de obra locales.
8.1. Dimencionamiento.
Antes de proceder al diseño de una planta para el medio rural, es preciso determinar
el potencial de generación de biogás presente, con el objeto de definir su factibilidad,
tomando en cuenta que la forma de manejo del ganado en esas comunidades impide
recolectar todo el estiércol producido por sus animales. Por lo tanto la condición a
satisfacer es que se pueda contar o disponer de una cantidad mínima de deshechos
que permita producir el biogás requerido para satisfacer las necesidades que se
pretende cubrir.
Los datos experimentales que se presentan en la siguiente tabla así como en la tabla
7.16 y 7.29 permiten hacer este tipo de cálculos.
Tipo de animal
Estiércol fresco
producido al día (a)
(kg/cabeza – día)
Litros de biogás producido por cada
kg fresco de estiércol(b)
(l/kg)
Vaca 10.00 60
Cerdo 2.25 78
Gallina 0.18 62
Heces humanas 0.40 70
Tabla 7.36: Producción diaria de estiércol y producción de biogás para distintos tipos de
animales.
a: El dato se refiere a una estimación de la cantidad de estiércol que es posible
recolectar de todo el producido cuando el ganado no está estabulado.
b: Este valor varía según el diseño de digestor utilizado. Los datos presentados son
para un digestor tipo hindú.
Los consumos de aparatos se puede obtener de la siguiente tabla así como de las
tablas: 7.19, 7.20 y 7.21.
Equipo Consumo de biogás
(m3/h)
Estufa ( 2 quemadores) 0.4 – 0.55
Lámpara 0.15 – 0.21
Refrigerador (1.8 ft3) 0.05 – 0.063
Motor C.I 0.45 – 0.55 por cada HP
Tabla 7.37: Consumo de biogás para algunos aparatos domésticos.
8.2. Diseño.
Como ya se mencionó anteriormente, existen varios diseños de plantas de biogás cuya
elección dependerá básicamente de factores de eficiencia, logística, geografía,
meteorología y sobre todo económicos.
8.2.1. Localización.
Ampliando la sección 8.6.2.1, una decisión importante es la relativa al lugar donde se
vaya a construir la futura planta.
Deberá ser un sitio donde la materia prima esté accesible y el agua requerida este
disponible, para efectuar la carga diaria. Se debe procurar estar lo más cerca posible
del punto de uso del biogás y al mismo tiempo facilitar el empleo de los efluentes o su
almacenamiento de ser necesario.
La topografía del lugar así como las características del suelo, tendrán influencia en el
tipo de digestor, técnica constructiva y costos.
Los niveles de las aguas subterráneas pueden también obligar a utilizar cierto yipo de
planta o cambiar la ubicación.
Desde el punto de vista metereológico, deberá buscarse un sitio al abrigo del viento,
de preferencia un lugar soleado, cuidando que la insolación no provoque fallas por
esfuerzos térmicos en las cúpulas expuestas al sol.
S i se trata de plantas a nivel comunal, la ubicación será distinta a la de un digestor
familiar, y deberá procurarse un sitio que permita futuras ampliaciones de la planta,
sin descuidar los aspectos de acceso de la materia prima y utilización de los
productos.
8.2.2. Materiales y técnicas de construcción.
Las plantas de biogás han sido concebidas en geometría cilíndrica recordando su
origen que es el de todo reactor, rectangular, oval y esférica; horizontales y
verticales; bajo tierra o a nivel del suelo, y construidas de ladrillo, mampostería,
cemento, metal, hule sintético, plástico, etc.
En términos generales las distintas opciones de formas y materiales han sido
probadas y trabajan satisfactoriamente cuando se emplea un diseño adecuado.
Sin embargo, el escaso poder adquisitivo de los pobladores de las comunidades
rurales obliga a explorar otras opciones que resulten más baratas y que aseguren
una vida larga de las instalaciones, entre las que se encuentran las técnicas de
autoconstrucción como son las de suelo – cemento y ferrocemento, así como la
utilización de fibra de vidrio; los resultados que hay hasta ahora con estas técnicas
son satisfactorias, siempre y cuando un técnico experimentado en las mismas entrene
previamente al personal que tendrá a su cargo la construcción, y vigile esta durante
su desarrollo.
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