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Producción de biogás.Construcción de un biodigestorAutor: Edgar Caceres

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Presentación del curso

Desde el área de biotecnología ambiental, se investiga el modo de obtención del biogásbiogás, los usos, y los beneficios e inconvenientes de su implementación. Estecompuesto es un gas natural, una forma de bioenergía.

El biogás se genera a partir de la digestión anaerobia, proceso biológico en el quela materia orgánica deviene en degradación desde una colonia bacteriana,metabolismo que no necesita del oxígeno.

Por su origen, este gas es una de las alternativas más importantes para proveer a unpaís de fuentes de energías renovables.

Con este curso te enseñamos a construir un digestor anaeróbico para laproducción de biogás casero por medio de la fermentación de desechos orgánicos,excretas de vaca, gallina, así como también de estiércol de porcino para generarmucho gas metano de origen orgánico.

Actualmente los biodigestores solamente producen gas para consumo de lacocina, sin embargo ya existe este tipo de tecnología ambientalista para producir corriente eléctricacorriente eléctrica.

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1. Biogás. Construcción de anaeróbicos

CURSO CON INSTRUCCIONES TECNICAS PARA LA CONSTRUCCION DE PEQUEÑOSDIGESTORES ANAEROBICOS DE CARGA CONTINUA PARA LA PRODUCCION DE BIOGÁS.

INTRODUCCION

Este tipo de digestores se construyen con técnicas convencionales de albañilería, seutilizan para el aprovechamiento de los desechos orgánicos de animales y vegetales,como el estiércol bobino, porcino, aviar y otros, produciendo biogás y un residuosemisólido llamado bioabono biol (liquido) o biosol (solido), que es apropiado parafertilizar tierras de cultivo. . . . La utilización de estos biodigestores es muyconveniente en granjas lecheras, avícolas, porcinas e instalaciones ganaderas, si elnúmero de animales es suficiente para producir la cantidad necesaria de estiércolque genere las cantidades necesarias de combustible para cubrir las necesidades delestablecimiento. . . Con los digestores se logra un cuádruple propósito : se disponede desechos que son molestos contaminantes del medio ambiente, de difícil ycostoso manejo , se reduce la deforestación para la obtención de leña, además sereducen los gases que producen el calentamiento global ya que el Biogás es uncombustible, de bajo costo, que al utilizarse no causa contaminación como otroscombustibles y por ùltimo se obtiene un fertilizante de optima calidad. .

El Biogás puede ser utilizado en motores de gasolina y diesel, en los motores degasolina trabaja directamente sin inconvenientes y en los motores diesel en lugar deinyectar aire se comprime una mezcla de aire – Biogás, cuya ignición se lleva a cabopor inyección de diesel, puede trabajar con un mínimo de diesel del 10%.

Para diferentes necesidades se pueden construir unidades de distintos tamañoformas, con capacidades desde 1 a 35 metros cúbicos y aún mayores.

Las principales características operativas del modelo de digestor en que se basa estecurso son : Desplazamiento horizontal , operación continua, carga y descarga diaria,periodo de retención de 25 a 60 días.

Microbiología del proceso de digestión anaerobia

La digestión anaerobia puede definirse como el proceso de degradación de lamateria orgánica llevada a cabo por la acción combinada e cuatro grupos demicroorganismos en ausencia de oxigeno u otros oxidantes fuertes, la cual seefectúa en cuatro etapas.

Etapas de la digestión anaerobia:

HIDROLISIS: En esta etapa los compuestos orgánicos complejos ( Lípidos, proteínas,y carbohidratos) son hidrolizados a compuestos de pesos moleculares más bajoscomo azucares, aminoácidos, y péptidos mediante la acción de sustanciasexcretadas por las bacterias, de tal manera que los nuevos compuestos puedan serasimilados por las bacterias.

FERMENTACION: Los productos de la hidrolisis son consumidos por las bacteriasfermentativas y luego excretadas principalmente en forma de ácidos grasos volátiles(AGV) como por ejemplo acido acético, propionico, butírico, láctico y valerico.

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ACETOGENESIS: Los AGV son reducidos metabólicamente por asociaciones entreacetogenas productoras obligadas y consumidoras de H2 y metanogenas, dandocomo productos principales acido acético, hidrógeno y CO2.

METANOGENESIS: Es la etapa más importante del proceso, pues en ella se produce laremoción de la materia orgánica y la recuperación de energía en forma de METANO,además del correcto equilibrio de esta etapa y las anteriores depende la estabilidaddel proceso.

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2. Digestión anaeróbica. Factores

Factores que afectan la digestión anaeróbica.

Los principales factores que inciden en el proceso anaerobio están relacionados conaquellos parámetros cuyo control permite un mejor crecimiento de la biomasa, unalto porcentaje de la degradación de la materia orgánica y un volumen mayor en laproducción de Biogás.

PH: Debido a la presencia de de las bacterias metano génicas es necesario mantenerel pH dentro del rango 6.8 a 7.4, en el cual estas bacterias tienen mayor actividad.Se ha determinado una inhibición total del proceso metano génico cuando el pH caepor debajo de de 6.0 o sube por encima de 8.0. por un periodo de tiempoconsiderable.

TEMPERATURA: La temperatura ejerce un efecto primordial sobre la actividad de lasbacterias. En general se distinguen tres rangos de temperatura para clasificar losprocesos anaeróbicos y cada uno presenta diferentes velocidades de carga orgánicamáxima. Régimen Psicrofìlico, temperatura de 8 a 20ºC, Mesofìlico de 20 a 40ºC,Termofilico de 50 a 65ºC. Para cada rango de temperatura existe una floramicrobiana que predomina, así que un cambio rápido de unos 10ºC en el proceso defermentación puede causar pérdidas significativas de actividad de losmicroorganismos La sensibilidad de las bacterias meta genéticas respecto a cambiosde temperatura es mayor en el rango Termofilico. La mayoría de las bacterias queparticipan en la producción de metano tienen una temperatura optima en el rangoMesofìlico a una temperatura cercana a los 35ºC.Se puede afirmar que la eliminaciónde la materia orgánica es tres veces mayor a 36ºC que a 20ºC.

SUSTANCIAS TOXICAS: Los compuestos que se consideran tóxicos en un procesoanaeróbico se pueden clasificar en tres categorías:

1.- Compuestos cuya toxicidad está relacionada con el pH, tales como AGV,amoniaco, y H2S, todos ellos producto de la fermentación de la materia orgánica.

2.- Compuestos con una inmediata y/o irreversible toxicidad, tales comoantibióticos, desinfectantes, bactericidas y muchos solventes orgánicos.

3.- Compuestos que con un pequeño aumento en su concentración se vuelventóxicos como es el caso de los metales pesados.

NUTRIENTES: La digestión anaeróbica por ser un proceso biológico requiere ciertosnutrientes inorgánicos esenciales para el crecimiento de las bacterias. En defecto deestos el crecimiento esta limitado. Los principales nutrientes necesarios para elcrecimiento de los microorganismos son el nitrógeno y el fosforo.

CARGA ORGANICA VOLUMETRICA: La carga es un aspecto a considerar en el procesode de digestión anaeróbica. Una carga insuficiente da como resultado una bajaproducción de Biogás, pero una carga excesiva puede traer como consecuencia laacidificación del digestor ya que las bacterias formadoras de acido tienen mayoractividad que las bacterias metano génicas y en consecuencia baja el ritmo dedegradación.

TIEMPO DE RETENCION HIDRAULICO (TRH): Las bacterias requieren de un ciertotiempo para degradar la materia orgánica y para que esto ocurra la misma debe

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permanecer cierto tiempo en el digestor, si no se permite suficiente tiempo elcultivo es diluido continuamente hasta que queda completamente lavado, el tiempooptimo esta en función de la velocidad de crecimiento de la población microbiana.

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3. Biogás. Composiciones químicas

COMPOSICION DEL BIOGÁS

COMPONENTE RANGO PROMEDIO

METANO ( CH4) 51.8 a 85 % 65.0 %

BIOXIDO DE CARBONO (CO2) 14.0 a 48 % 34.8 %

HIDROGENO (H) 0:0 a 5 % Trazas

NITROGENO (N2 ) 0.0 a 0.75 % Trazas

ACIDO SULFHIDRICO(H2S) 0.0 a 5.0 % 0.20 %

COMPOSICION DE BIOABONO.

Sólidos totales 6.5 %

Humedad 93.5 %

CONTENIDO DE NUTRIENTES DE BASE SECA

Nitrógeno 2.6 %

Fósforo 1.5 %

Potasio 1.0 %

Otros micro elementos 1.4 %

Información inicial a considerar previo al diseño

1.- Origen del desecho.

2.- Producción de desechos Diarios.

3.- Desechos sólidos utilizables.

4.- Clase de animales.

5.- Número de animales.

6.- Peso promedio por animal.

7.- Clima.

Producciónde estiércol fresco Diario (tabla) .

VACUNO 8 kg/100kg(peso) PORCINO 4kg/100kg(peso) AVIAR 3kg/100kg(peso)

CAPRINO 4kg/100kg (peso) EQUINO 7kg/100kg(peso) CONEJO 3kg/100kg(peso)

HUMANO 0.4 Kg/ adulto, 0.2 kg/niño.

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4. Biogás. Alimentación del digestor con desechosanimales

COMO DETERMINAR EL VOLUMEN DEL DIGESTOR QUE SE NECESITA

El digestor se alimenta con una mezcla de desechos animales con agua y esta sedeja durante un determinado tiempo dentro del tanque o digestor donde se produceuna fermentación causada por bacterias anaeróbicas, esta fermentación produce ungas llamado BIOGÁS, que es un excelente combustible que puede utilizarse encocinar, para generar energía eléctrica o para hacer funcionar motores.

DILUCION : El desecho orgánico debe diluirse en agua para poder alimentar elbiodigestor y facilitar la acción de las bacterias anaeróbicas para que se puedaproducir Biogás, y fertilizante. La dilución recomendada actualmente es de 1:3 a1:4 para evitar natas en el digestor que dificulten o impidan la salida del gas.

TIEMPO DE RETENCION: El tiempo de retención depende del clima del lugar, paraclima caliente con temperaturas promedio arriba de 28ºC, de 20 a 30 días, paraclima templado . con temperaturas promedio arriba de 18ºC y menores de 28ºC, de30 a 45 días. y para clima frio con temperaturas promedio abajo de 18ºC, de 45 a60 días (o más).

Determinación del volumen necesario de un biodigestor.

El volumen total de un biodigestor está integrado por el volumen liquido (efluente) yel volumen que ocupa el gas producido.

VT(volumen total) = VL (volumen liquido) + VG (volumen gas).

VL = 0.75 VT, VG = 0.25 VT, VG = VL/3.

EJEMPLO 1.

DETERMINAR EL VOLUMEN DE UN BIODIGESTOR PARA CONSTRUIRSE EN UNAGRANJA LECHERA EN CLIMA TEMPLADO QUE CUENTA CON 20 VACAS SEMIESTABULADAS.

Número de animales: 20. Clase de animal: VACA. Peso promedio por vaca 300Kg.Producción de estiércol Diario : 8 Kg/ Vaca/ Día por cada 100 Kg De peso. Cantidadde estiércol día por vaca: 8Kg/100Kg X 300Kg/vaca = 24 Kg/vaca /Día.

TOTAL DE ESTIÉRCOL PRODUCIDO POR LAS 20 VACAS EN UN DÍA : 20 VACAS X 24Kg/vaca/ Día = 480 Kg /Día.

TOTAL DE ESTIÉRCOL UTILIZABLE (Por estar las vacas semi estabuladas, solo el 50%es utilizable.) = 480 Kg/ Día X 0.5 = 240 Kg/ Día.

DILUCION: Para estiércol de ganado lechero se recomienda una dilución de 1:3. ESDECIR QUE POR UNA PARTE DE ESTIÉRCOL SE AGREGAN TRES PARTES DE AGUA.

El peso de un litro de agua es de un kilogramo por lo que para efectos de cálculoconsideramos que el TOTAL DE ESTIÉRCOL UTILIZABLE EQUIVALE A 240 LITROS/ DÍA.

VOLUMEN LIQUIDO VL (Efluente) = VOLUMEN SOLIDO (VS) + AGUA (3 VS)

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VL = 240 LT/ Día + 3 X 240 LT/ Día = 240 LT / Día + 720 LT/ Día = 960 LT/ Día.

Por ser clima templado el tiempo de retención del efluente se estima en 30 Días.

El volumen liquido(VL) del digestor para retener el efluente durante este periodo detiempo será de:

VL = VOLUMEN LIQUIDO DIARIO X TIEMPO DE RETENCION.

VL = 960 LT/ Día X 30 DÍAS = 28 8OO LT =28.8 M3

VT = VL + VG, VL + VL/3.

VT = 28 800LT + 28 800/3 LT = 28 800 LT + 9 600 LT = 38 400 LT.

1000 litros(LT) equivalen a un metro cúbico (M3).

VT = 38 400LT/ 1 000 LT/M3 = 38.4 M3

Se puede especificar la construcción de un digestor de 40M3 o dos de 20M3

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5. Biodigestor. Componentes

COMPONENTES DE UN DIGESTOR

El digestor cuenta con cuatro componentes:

PILETA DE CARGA: En la pileta de carga se deposita y homogeniza la mezcla con laque se alimenta el digestor. Esta pileta es pequeña y de poca profundidad, la mezclapasa por un tubo o dos, que la comunica con el digestor propiamente dicho.

TANQUE DIGESTOR : Es un tanque cerrado herméticamente, de forma alargada, seconstruye bajo el nivel del suelo para lograr un adecuado aislamiento térmico. Porun extremo está conectado con la pileta de carga, mediante uno o dos tubos, y porel otro con la pileta de descarga, mediante otro u otros dos tubos.. En la tapaderasuperior tiene conectada una pequeña tubería de metal para la evacuación del gasproducido, hacia el tanque de almacenamiento.

PILETA Y POZO DE DESCARGA: En la pileta y pozo de descarga se recibe la mezcla yaprocesada que sale del tanque digestor,. Este pozo es hondo y su profundidad esmayor que la del tanque digestor . Por arriba es abierto para que sea posiblerecoger y retirar el bioabono.

SISTEMA Y ALMACENAMIENTO DEL GAS: Consiste en una tubería conectada a la partesuperior del tanque digestor y que conduce al tanque de almacenamiento del gas,deberá tener una válvula de seguridad, una válvula de paso, conectada después de laválvula de seguridad, y deberá introducirse en la válvula de seguridad lana de aceropara eliminar el acido sulfhídrico (H2S) que se produce en el digestor y corroe elmetal de los artefactos que utilizan el gas, el tanque de almacenamiento tanquepuede ser una bolsa de caucho. .

GRÁFICAS

Pequeño biodigestor artesanal. Grafica obtenida del libro de jonh seymour la vidaen el campo.

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Digestor diseñado por Icaiti.(instituto centroamericano de investigacióntecnológica industrial).

Digestor construido e n la escuela de agricultura de barcenas Guatemala.

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6. Biogás. Producción diaria

Dimensiones de algunos digestores.

Producción diaria de biogás

SOLIDOS TOTALES (Kg/M3)): De forma general el estiércol fresco contiene 17 % desólidos totales ( ST), los sólidos totales representan el peso del estiércol seco, y porlo tanto es la carga real de materia solida que alimenta al digestor.

ST = carga Diaria X 0.17/VL

SOLIDOS VOLATILES ( Kg/M3): Los sólidos volátiles (SV) representan la parte de lossólidos totales de estiércol que pasa a la fase gaseosa. De forma general equivalen al77 % De los ST.

SV= ST X 0.77 Kg/M3/ Día

PRODUCCION DE BIOGÁS ( M3/ Kg SV M3 Día. ): Depende de la cantidad de SV quehaya en la carga de estiércol Diaria. Se considera que 1 Kg de SV produce 0.27M3de Biogás( PB)

PRODUCCION DE BIOGÁS DÍA (PB/ DÍA) = 0.27 M3 . SV. VL.

EJEMPLO 2.

DETERMINAR LA CANTIDAD DE BIOGÁS DIARIO QUE SE PRODUCIRÀ EN LAGRANJA LECHERA DEL EJEMPLO ANTERIOR.

ST = CARGA DÍARIA X 0.17/ VL

ST= 240 Kg / Día.X 0.17/ 28.8 M3 = 1.42 Kg/M3/ Día.

SV = ST X 0.77= 1.42 kg/M3/ Día X 0.77 = 1.09 Kg/M3/ Día

PRODUCCION DE BIOGÁS DIARIO(PB/ Día) =

0.27.SV VL = 0:27 M3/Kg X 1.09 Kg/M3/ Día X 28.8 M3= 0.294 M3/M3VL/ Día.X28.8 M3 = 8.47 M3/ Día. = 8 470 LT / Día.

PARA ESTIMACIONES INICIALES SE PUEDE CONSIDERAR EL SIGUIENTE

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RENDIMIENTO MINIMO Y ENERGÌA PRODUCIDA POR BIOGÁS OBTENIDO DEDISTINTOS DESECHOS ANIMALES.

ANIMAL (peso) DILUCION RENDIMIENTO ENERGIA Bobino (300 Kg) 1:3 0.025 (1)133.37 (2) Porcino(100 Kg)1:3 0.050 (1) 266.75 (2) Aviar (2 Kg) 1.4 0.060 (1)320.10 (2) Humano(70 Kg) 1:4 0.040 (1) 213:40 (2)

M3 de Biogás por Kg de estiércol fresco. (2) Kcal por Kilogramo de estiércol fresco.

PODER CALORIFICO DEL BIOGÁS: 22.32 MJ / M3 ( 5 335 Kcal/ M3.)

Consumo de biogás.

COCINA(Litros)

Frijol(lb) Arroz(lb) Maíz (lb) Tortillas ( lib) Caldo(lb) Café (LT). 3 Comidas/ 5personas50 175 269 300 400 125 200 4 huevos fritos 30

EQUIPO CONSUMO DE BIOGÁS (LTS/HORA)

Hornillas de cocina 150 – 200

Fogón para cocinar alimentos de origen animal o vegetal 300

Lámpara de gas equivalente a una bombilla de 60 W 125

Calentadores para lechones o cría de levante 250

Calentadores para la cría de pollos 150

Motor Biogás diesel por b.h.p 420

Generador eléctrico por Kw 900

Refrigerador de 8” 275

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