COMPARACIÓN DEL PODER CALORIFICO DEL BIOGÁS GENERADO A PARTIR DE HECES FECALES DE ORIGEN BOVINO Y DE EQUINO EN LA

SEDE BERASTEGUI DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA, COLOMBIA

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la Universidad de Córdoba, sede Berastegui se genera una cantidad

significativa de heces fecales proveniente del ganado bovino y equino pastoreado

en dicha sede, residuos que aumentan con el crecimiento poblacional de los

ejemplares existentes en la Universidad.

Partiendo de un diagnostico visual, se observa que el estiércol generado por el

ganado bovino y equino, principalmente tienen como disposición final los terrenos

donde se encuentran ubicados en la sede Berastegui, se podría decir que parte de

estos residuos no están siendo destinados para algún tipo de aprovechamiento. La

disposición inadecuada del estiércol causa impactos ambientales como

generación de gases de efecto invernadero, eutrofización de cuerpos de agua y

sobrecarga de nutrientes en suelos de cultivo ocasionado por excretas de ganado,

depende en gran medida de la especie pecuaria, del sistema de alimentación y del

manejo del estiércol (Pinos, J. et al., 2012).La mayoría de los gases que produce

el estiércol son metano (60 %), dióxido de carbono (39 %), y trazas (0.2 %) de

óxido nitroso (Bekkering et al., 2010). El metano es un biogás que contribuye

significativamente al efecto invernadero.

Teniendo en cuenta que estos residuos no están siendo aprovechados

adecuadamente, se hace necesaria la implementación de una propuesta que

busca obtener biocombustible a partir de las heces fecales de ganado bovino y de

equino, como son especies diferentes se requiere comparar las propiedades

físicas, químicas y biológicas del biogás, para determinar cuál tiene mayor poder

calorífico para ser utilizado en las cafeterías de la Universidad de Córdoba.

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La comparación de biogás generado por las excretas del ganado bovino y equino,

se hace indispensable para poder reciclar y aprovechar estos residuos orgánicos

de manera adecuada, al establecer los usos alternos que se le podría dar de

acuerdo a sus propiedades químicas, biológicas y físicas.

Considerando el contexto anterior, se puede formular el siguiente interrogante,

¿De los dos tipos de biogás a generar cual tiene mayor poder calorífico, teniendo en cuenta el origen de las heces fecales utilizadas para su producción?

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERALComparar el poder calorífico de dos tipos de biogás generados utilizando como

materia prima las heces fecales de origen de ganado bovino y de equino, para

determinar cuál es el más indicado como combustible en las cafeterías de la

Universidad de Córdoba.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Caracterizar las excretas del ganado bovino y equino de la Universidad de

Córdoba, sede Berastegui.

Seleccionar e implementar un biodigestor para la obtención de biogás.

Aplicar los procesos anaeróbicos utilizados para la generación de biogás con

cada una de las heces.

Analizar los resultados de la investigación, dándolas recomendaciones

pertinentes.

3. JUSTIFICACION

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El estiércol generado en los sistemas ganaderos puede provocar impactos

ambientales negativos si no existe un control en el almacenamiento, el transporte

o la aplicación, debido a la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera, y

la acumulación de micro y macro nutrientes en el suelo y en los cuerpos hídricos

superficiales (Pinos, J. et al., 2012). Una forma efectiva de tratar las heces

producidas es la implementación de un proceso de biodigestión biológico de

fermentación natural en el que una comunidad entrelazada de bacterias cooperan

para formar una fermentación estable, autoregulada, la cual se puede dar de dos

formas en presencia de oxígeno (Biodigestión Aerobia) y sin la presencia de

oxígeno (Biodigestión Anaerobia). La biodigestión anaerobia aprovecha la materia

prima, en este caso heces de origen bovino y equino, obteniendo un energético

controlado sin producir desechos contaminantes. El biogás obtenido en este

proceso puede ser usado directamente como combustible para calderas, de

hornos y en refrigeración (López C. y López A., 2009).

La producción de biogás a partir del estiércol tiene como primer propósito

coadyuvar a la reducción de gases que provocan el efecto invernadero del

planeta, pero también es una alternativa que permite obtener energía para cubrir

las necesidades de granjas pecuarias y resolver problemas como la disposición

final de desechos, malos olores, fauna nociva, transmisión de enfermedades y

contaminación de mantos freáticos (Frías Hernández Juan).

Se hace necesario comparar el poder calorífico de biogás generado a partir de

heces fecales de origen bovino y de equino porque son especies diferentes, sus

excretas pueden variar en sus características físicas, químicas y biológicas, estas

son las que le confiere propiedades como el calor calorífico al biocombustible

producido.

La determinación del poder calorífico de los dos tipos de biogás a generar

permitirá establecer cual excreta brinda un mayor beneficio y así darle un uso a

este en las cafeterías de la Universidad de Córdoba. Esto también contribuiría a la

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reducción de los problemas de contaminación atmosférica, mantener un equilibrio

ambiental y mejorar la estructura del suelo.

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 ANTECEDENTES

17

El comienzo de la historia del biogás se puede fijar en unos 5.000 años atrás.

Fuentes muy antiguas indican que el uso de desechos y los “recursos renovables”

para el suministro de energía no son conceptos nuevos, pues ya eran conocidos y

utilizados mucho antes del nacimiento de Cristo. Los inicios del biogás se han

fijado en base a hechos históricos que dicen que, alrededor de 3000 años antes

de Cristo, los sumerios ya practicaban la limpieza anaerobia de los residuos

(Deublein y Steinhauser, 2008). También existen datos que están basados en el

relato del viaje de Marco Polo a China (Catai) (1278 -1295) en el libro “Divisament

du monde” (posteriormente conocido como “El Libro de las maravillas del mundo”),

en el que se describen unos tanques cubiertos en donde se almacenaban las

aguas residuales en la antigua China, pero no está claro si capturaban el gas o si

le daban alguna utilidad, en este libro se dice que este hecho, está mencionado en

la literatura china del tercer milenio antes de Cristo. También hay otras fuentes

que citan como primer uso del biogás el calentamiento del agua de los baños

públicos en Asiria, allá por el siglo X a.c.

Mucho más reciente, en el siglo XVI en Persia, hay constancia escrita del uso del

biogás (Brakel, 1980; Lusk, 1998). En tiempos modernos, existe la disputa entre

dos ciudades para determinar quién ostenta el honor de poseer el primer digestor

anaerobio para biogás de la era moderna; numerosos autores comentan que la

primera unidad de digestión anaerobia para la obtención de biogás a partir de

aguas residuales fue construida en la India en 1859, en el asilo-hospital de

leprosos de Matunga, cerca de Mumbai(antes de 1995 se llamaba Bombay) en la

India (Sathianathan, 1975; Deublein y Steinhauser, 2008), esta planta purificaba

las aguas residuales y proveía de luz y energía al hospital en caso de

emergencias; hay también constancia de la construcción de un digestor en la

ciudad de Otago en Nueva Zelanda, casi veinte años antes, hacia 1840.

Haciendo una recapitulación de los numerosos estudios sobre este proceso, la

primera anotación científica sobre el biogás se atribuye a Jan Baptista Van

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Helmont, en la primera mitad del siglo XVII (1630), quién determinó que de la

descomposición de la materia orgánica se obtenían unos gases que eran

inflamables. Otros autores atribuyen a Shirley o Shierley en 1667 el

descubrimiento del biogás o del gas de los pantanos, identificándolo como el

causante de los denominados “fuegos fatuos”, aunque parece ser que Shirley se

basó en las conclusiones que escribió van Helmont, con anterioridad

(Santhianathan, 1975). Unos años más tarde, en 1682 R. Boyle y su asistente

Denis Papin predijeron la posibilidad de obtener un gas a partir de residuos

animales y vegetales en descomposición (Pine, 1971). Unos años más tarde, ya

en el siglo XVIII, concretamente en 1728 Stephen Hales publica su obra

“Vegetable Staticks” sobre esta materia.

El 14 de noviembre de 1776, el científico italiano Alejandro Volta, publica en una

carta “Aria inflammabilenativedellePaludi”, que en el lago Como, se forma un gas

que es explosivo cuando se agitan los sedimentos, y además concluyó que había

una correlación directa entre la cantidad de material orgánico en descomposición,

en el fondo de la masa de agua y la cantidad de gas inflamable y que el principal

compuesto del gas natural (gas de los pantanos) era el metano (Stafford y

Hawkes, 1980). La importancia de estos resultados se reconoció totalmente por la

comunidad científica de la época, lo que queda reflejado por el hecho que su carta

se tradujo al alemán sólo dos años después de su aparición.

En 1804, John Dalton describe la estructura química del metano y lo asocia con el

biogás.

En 1808 Humphry Davy, químico inglés, produce gas metano en un laboratorio

con estiércol de ganado. Se toma este acontecimiento como el inicio de la

investigación en biogás. Labor que continua, en parte, su alumno y luego célebre

físico inglés Faraday (nacido en el condado de Surrey), realizando algunos

experimentos con el gas de los pantanos y el hidrocarburo identificado como parte

de él.

19

Es en 1821 cuando Avogadro elucida por primera vez la estructura química final

del metano (CH4).

En 1856, Reiset encontró que el CH4 se libera al descomponer el estiércol

amontonado y propuso que este proceso se estudiara para ayudar a explicar la

descomposición del material orgánico en general.

Louis Pasteur intentó en 1884 producir biogás a partir del estiércol de caballo

recogido de las calles de París. En ese mismo año, junto con su alumno

UlysseGayon o Gavon obtuvo 100 litros de biogás por metro cúbico de estiércol, al

mezclar estiércol y agua a 35ºC, sin la presencia de oxígeno. En ese mismo año,

otro investigador francés llamado Pastnier presentó ante la Academia de Ciencias

de Francia el primer trabajo sobre la producción de metano a partir de residuos de

granjas.

El científico ruso Omelianski, en 1886, realizó la comprobación de la formación de

metano con el estiércol de vaca.

A finales del siglo XIX fue demostrada la presencia de microorganismos

involucrados en el proceso de fermentación metánica (Barker, 1956). En estos

finales del siglo XIX se construyen en el sur de China las primeras plantas de

biogás, tal y como se conocen actualmente.

En 1901, Schengon, describió detalladamente las características morfológicas de

las metanobacterias y sugirió un concepto relativamente claro de su capacidad de

conversión en metano.

En Europa, los primeros digestores para obtener biogás a partir de residuos

orgánicos se instalan en Gran Bretaña en 1911.

En 1918, los ingleses se interesan sobre la producción de metano a partir de

residuos de granja.

En 1920, en China, Guorui desarrolló un digestor de 8 metros cúbicos de

capacidad y fundó la Compañía “GuoruiBiogasLamp”.

Con motivo de la II Guerra Mundial se desarrollaron en Alemania un gran número

de instalaciones de digestión anaerobia con el fin de potenciar nuevas fuentes de

20

energía, y aunque la tecnología se extendió al resto de Europa Occidental, cuando

cesaron las condiciones de escasez de combustibles sólo quedaron funcionando

algunos pocos digestores en Alemania y Francia. Después de la II Guerra Mundial

se construyeron cerca de 40 digestores, en Europa, pero su desarrollo se frenó

por los bajos precios de los combustibles fósiles. Después de esta Gran Guerra la

generación de biogás se extendió y se desarrolló en diversos países, tales como:

Sudáfrica, Rodesia, Kenia, Uganda, Rusia, Australia, Italia, Corea, Taiwán, Japón,

Israel, Estados Unidos, India y Filipinas.

En el norte de África, en la zona francesa, entre 1940-1951 se ha reportado los

enormes esfuerzos realizados para la construcción de los llamados digestores de

metano. El diseño y prototipos fueron desarrollados por G. Ducellier y por M.

Isman, desde 1937.

En 1957, un inventor inglés llamado Bates, modifica su coche para hacerlo

funcionar con biogás, consiguiendo que siga funcionando durante 17 años más.

Durante los años de la década de los 60 se impulsó notablemente la tecnología de

producción de biogás a partir del estiércol de bovino en la India, con el doble

objetivo del aprovechamiento energético y el mantenimiento de las propiedades

fertilizantes del digerido (Campos, 2001).

En China, es en la década de los años 70 cuando se impulsa la construcción de

digestores, mediante programas de ámbito nacional (Campos, 2001). En 1977

había más de 5 millones de digestores anaerobios en China, debido al parecer,

por la mayor economía de los materiales empleados, lo que reducía los costes de

inversión (Pfeffer, 1974; Smill, 1974).

4.2 MARCO CONCEPTUAL

BIOGAS: es una mezcla de gases compuesta principalmente por Metano (CH4) y

Bióxido de Carbono (CO2), que se obtiene de la fermentación de la materia

21

orgánica debido a la ausencia de aire y la acción de un grupo de microorganismos

anaerobios.

De manera natural se produce en pantanos y/o en cuerpos de agua ricos en

materia orgánica la cual está expuesta a la acción digestiva de microorganismos.

Pero también los tiraderos de basura o rellenos sanitarios pueden ser fuentes para

producirlo.

PODER CALORIFICO: el poder calorífico de un combustible es la cantidad de

energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa

del combustible.

HECES FECALES: Las heces, deposiciones fecales, estiércol, están compuestas

principalmente por agua y por los elementos no digeridos, ya sea por fibra

lignificada indigerible o por granos con cubierta muy firme, o por otras fracciones

alimenticias que podrían ser digeridas, pero que no lo son por un pasaje muy

rápido por el tracto intestinal, como ser alimentos en partículas muy finas, algunos

sectores de fibra del forraje, alimentos muy digestibles (tiernos, aguachentos),

granos enteros, etc.

PROPIEDADES DE LAS HECES FECALES: Las propiedades de las heces

fecales del ganado bovino y equino difieren de casi todas las especies animales

por su alto contenido en agua, la que está en relación directa con la cantidad de

heces excretadas y con la mayor o menor aptitud para concentrarlas, como es el

caso del ganado cebú, cuyas heces tienen un contenido menor de humedad que

las del bovino europeo.

METANO: es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH4.

Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un

enlace covalente.

22

El metano es un gas combustible, incoloro e inodoro cuya combustión produce

dióxido de carbono, hidrógeno y agua, con una llama azul característica. Es

asimismo el componente fundamental del gas natural.

GASES DE EFECTO INVERNADERO: Son gases que se encuentran presentes

en la atmósfera terrestre y que dan lugar al fenómeno denominado efecto

invernadero. Su concentración atmosférica es baja, pero tienen una importancia

fundamental en el aumento de la temperatura del aire próximo al suelo, haciéndola

permanecer en un rango de valores aptos para la existencia de vida en el planeta.

Los gases de invernadero más importantes son: vapor de agua, dióxido de

carbono (CO2) metano (CH4), óxido nitroso (N2O) clorofluorcarbonos (CFC) y

ozono (O3).

FERMENTACIÓN ANAERÓBICA: es un proceso natural que ocurre en forma

espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta forma

podemos encontrar el denominado "gas de los pantanos" que brota en aguas

estancadas, el gas natural metano) de los yacimientos petrolíferos así como el gas

producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos

procesos intervienen las denominadas bacterias metano génicas

El proceso de fermentación se compone de tres fases principales [Guevara 1996;

Ramón et al. 2006]: una primera fase, de hidrólisis, donde las bacterias

fermentativas o acidogénicas hidrolizan los polímeros y las convierten a través de

la fermentación en ácidos orgánicos solubles; una segunda fase, de acidificación,

donde las bacterias acetogénicas causan una metabolización de los complicados

ácidos orgánicos en acetatos (CH3COOH), dihidrógenos (H2) y

carbodióxidos(CO2); y una tercera fase, de metanización, donde las proteínas,

hidratos de carbono y grasa, los aminoácidos, alcoholes y ácidos grasos que se

23

formaron en las fases anteriores, se convierten en metano, bióxido de carbono y

amoníaco. En la última fase el material de fermentación se vuelve más líquido.

BIODIGESTOR: Un digestor anaerobio, también conocido como biodigestor, es un

sistema que aprovecha la fermentación de las bacterias presentes en la materia

orgánica, en ausencia de oxígeno, para transformar esta para producir biogás y

fertilizante.

Los biodigestores o plantas de biogás sencillos se clasifican en tres tipos

principales, descritos a continuación [Hilbert 2003; Ramón et al. 2006]:

• La planta con cúpula o campana flotante: se compone de un digestor

construido en mampostería o estructura de concreto y un depósito de gas móvil en

forma de campana, la cual puede flotar directamente en la masa de fermentación

o en un anillo de agua, dependiendo de la producción de biogás. La campana

debe tener una guía que permita el movimiento vertical, cuya altura dependerá del

volumen de gas almacenado [Vargas 1992]. Es conocido también como

biodigestor Indio, y puede ser utilizado cuando se necesita de un abastecimiento

continuo de biogás y fertilizante, caracterizándose por funcionar como depósito del

gas producido, es decir, es el único tipo de biodigestores que tienen un depósito

de biogás interior [Olaya 2006].

Sus ventajas son [Hilbert 2003]: la mampostería tiene una larga vida útil, en caso

de usar estructuras de concreto, deberá protegerse este material a la corrosión

producida por la materia orgánicas y el gas; la presión de gas es constante; y es

de fácil manejo. Entre las desventajas están el alto costo en la construcción de la

campana; en la mayoría de los casos, la campana es metálica y estará sujeta a

corrosión, cuya protección a esta acción incrementa el costo y requiere un

mantenimiento periódico de la campana, incrementando los costos de operación

[Hilbert 2003].

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• La planta con cúpula o campana fija: Se compone de un digestor construido

en mampostería y un domo fijo e inmóvil cerrado donde se almacena el biogás.

Durante la producción de biogás, la masa de fermentación es desplazada hacia el

tanque de compensación y cuando se extrae el gas, la masa líquida vuelve hacia

el biodigestor. A través de constantes oscilaciones de la masa de fermentación en

la parte superior de la cúpula se evita la formación de capa flotante [Vargas 1992].

Es conocido también como biodigestor Chino, y debido a que el gas debe ser

liberado continuamente para reducir la presión interna, se utilizan en instalaciones

donde el consumo sea continuo o para almacenar el biogás en un depósito aparte

[Olaya 2006].

Entre sus ventajas se tiene una larga vida útil de aproximadamente 20 años; no

posee partes móviles y/o metálicas que se puedan oxidar, aunque la construcción

en concreto deberá ser durable; y su construcción es subterránea, que lo protege

contra bajas temperaturas [Hilbert 2003]. Entre sus desventajas se encuentran que

la presión de gas no es constante; la presión puede ser muy alta, por ello la cúpula

tiene que ser cuidadosamente sellada e impermeabilizada para evitar porosidades,

grietas y escapes de gas; y presenta costos de construcción más bajos que el

anterior biodigestor [Hilbert 2003].

• La planta balón o biodigestor tubular: La planta de balón se compone de un

tubular en material plástico (polietileno, PVC, plastilona, entre otros, y una

combinación de éstos) completamente sellado, la entrada y la salida están sujetas

directamente a las paredes de la planta [Botero & Preston 1986; Pedraza et

al.2002]. La parte inferior de la planta, en un 75% del volumen constituye la masa

de fermentación, y en la parte superior, el 25% restante, se almacena el biogás.

Este tipo de planta se recomienda para aquellos sitios donde predominan las

temperaturas altas y constantes [Vargas 1992; Pedraza et al. 2002].

25

Entre sus ventajas, están [Botero & Preston 1986; Pedraza et al. 2002; Aguilar &

Botero 2006]: sus materiales de construcción son de fácil transporte; su instalación

y adecuación del sitio son sencillas; es apropiado en sitios con nivel freático alto,

por su construcción horizontal; y entre los tipos de biodigestores, es el menor

costo de construcción y operación; como se muestra en la figura 7, pueden ser

instalados por la comunidad beneficiada, sin que ésta tenga conocimientos sobre

construcción. Son desventajas, la baja presión de gas; una vida útil corta, entre 3 y

8 años, dependiendo del material que se seleccione; debe protegerse contra los

rayos solares; y el material plástico está sujeto a daños, siendo necesario en lo

posible encerrarse el área adyacente al biodigestor [Botero & Preston 1986;

Pedraza et al. 2002; Aguilar & Botero 2006].

4.3 MARCO TEÓRICO

4.3.1 Producción de biogás a partir de residuos orgánicos en biodigestores de bajo coste

La digestión anaerobia, o biodigestión, es una tecnología ampliamente difundida a

escala familiar en países como China, India o Nepal. En estos sistemas los

residuos orgánicos son convertidos en productos aprovechables como el biogás y

el biol. En los proyectos piloto que se presentan, ubicados en Perú, hasta la fecha

se han implementado alrededor de 20 biodigestores familiares, en comunidades

rurales de la zona de Cusco y de Cajamarca. La mayoría se encuentran a 3000-

4000 msnm, y la temperatura dentro del biodigestor oscila entre 10-23 ºC gracias

a la implementación de invernaderos que permiten amortiguar las oscilaciones

térmicas día-noche. Los biodigestores producen aproximadamente 0.2 m3de

biogás por día, dentro del rango psicrofílico, que con biodigestores de 5 m3 es

suficiente para cocinar 3-4 h diarias, sustituyendo los combustibles tradicionales.

26

El coste de construcción de los biodigestores (40 €/ m3) seria asumible, al menos

parcialmente, por familias campesinas. A nivel financiero, la instalación es más

viable cuando el biogás sustituye un combustible con valor de mercado como el

gas propano, resultando en un payback de 2 años y 8 meses; o bien cuando

permite elaborar productos con valor añadido (quesos, yogures, mermeladas,

etc.). Por otro lado, la eficacia del sistema también podría aumentar mediante la

integración del biodigestor en la granja, conectándolo con la letrina y usando el

biol como fertilizante para los cultivos. Estas aproximaciones son objeto de

trabajos futuros.

4.3.2 Obtención de biogás a partir de excretas de ovino y vacuno para uso domestico

El presente proyecto se desarrolló para obtener biogás aprovechando los residuos

orgánicos animales y de esta manera reducir las emisiones de metano que es uno

de los causantes del efecto invernadero.

Se plantearon estudiar la influencia de las variables de operación en la producción

biogás de alta calidad, empleando diferentes mezclas de las excretas de ovino y

vacuno.

Basándose en una investigación experimental – comparativa, con un diseño

factorial experimental simple. Nuestra variable independiente es la humedad y las

proporciones de las excretas, la variable dependiente es la calidad del biogás.

Tomando como Población: Las excretas de ovino y vacuno del distrito de Ahuac

del establo del Sr Agustín Cáceres solano. La muestra será la cantidad necesaria

de estiércol a ingresar en el biodigestor que será de unos cinco litros.

Se podrá obtener un combustible limpio y barato comparado con los fósiles para

uso doméstico, que reemplazaría la leña usada como combustible, lo que evitaría

27

problemas de salud relacionado con el sistema respiratorio de los campesinos que

usen el biogás reduciendo así las emisiones de metano.

4.3.3 Proyecto de investigación de biogás producido con residuos cítricos y estiércol

La investigación que desarrolla Ainia plantea lograr la más alta producción de

biogás a partir de la mezcla de los residuos agroalimentarios, mediante un proceso

de co-digestión anaerobia.

La investigación que desarrolla Ainia, pionera en España, plantea lograr la más

alta producción de biogás a partir de la mezcla de los residuos cítricos y estiércol

de vacuno, mediante un proceso conjunto de fermentación sin oxígeno (co-

digestión anaerobia), ya que se ha evidenciado que ambos residuos presentan

altos grados de biodegradabilidad y productividad metanogénica, equilibrio de

nutrientes, ausencia de sustancias contaminantes que pudieran inhibir el proceso,

condiciones óptimas para la producción industrial de esta energía renovable.

Concretamente, los ensayos que el centro está desarrollando en plantas piloto

internas, están determinando, por un lado, cuál es el porcentaje de mezcla de la

naranja con el estiércol que permita una producción de biogás aceptable, y por

otro, el volumen y calidad logrado en función del pre-tratamiento aplicado a los

residuos cítricos.

Los resultados principales determinan que en la concentración de naranja más alta

ensayada en la mezcla (un 30% de cítricos y un 70% de estiércol vacuno), la

producción de biogás obtenida es muy elevada. Por otro lado, se ha comprobado

como la eliminación del flavedo de la naranja  (que se encuentra en la parte más

externa del cítrico)  mejora el rendimiento en biogás.

Ainia ha demostrado que el residuo cítrico, en estas condiciones, fermenta bien

con el estiércol consiguiendo una alta productividad de Biogás. Para el futuro se

28

plantea seguir investigando en la línea de incrementar el porcentaje de residuo

cítrico con respecto al de estiércoles y emplear otros residuos ganaderos como el

purín de cerdo, oveja, etc.

4.3.4 Aprovechamiento de biogás proveniente del abono de ganado vacuno de un establo ubicado en Ixtapaluca estado de México.

Una vez que se obtiene el producto que en este caso el Biogás producido por las

excretas se procedió a llevar a cabo un análisis para determinar la composición

porcentual de Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2) que son sus principales

componentes y básicamente de Metano (CH4) que es el componente que

proporciona el poder calorífico al Biogás

Elemento PorcentajeMetano 50%

Dióxido de Carbono 45%

Ácido Sulfhídrico 2.5%

Nitrógeno 2.5%

El Biogás producido por las excretas de ganado cumple con el porcentaje mínimo

del 50% de contenido de metano marcado por Dr. José Antonio Guardado

Chacón. El estudio muestra un valor económicamente atractivo para la aplicación

de este sistema, además de que presenta beneficios incuantificables en el aspecto

ambiental, que van de acuerdo al desarrollo sustentable.

4.4 MARCO LEGAL

29

En Colombia, la regulación y vigilancia gubernamental sobre el uso y manejo de

excretas animales es escasa y confusa, ya que sólo se especifican ciertas normas

sobre descargas de contaminantes al agua, restando importancia a las emisiones

a la atmósfera y suelo, y sin especificaciones claras relacionadas con excretas de

ganado.

En Colombia, la reglamentación nacional no se refiere específicamente al manejo

del estiércol en operaciones ganaderas. En materia ambiental general, el

Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial emitió el Decreto-Ley

2811 de 1974 por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales

Renovables y de Protección al Medio Ambiente que en su capítulo II se refiere al

control y la prevención de la contaminación del agua, incluyendo las actividades

rurales y la eliminación de estiércol. Además, la Resolución 0601 de 2006 sobre la

Norma de Calidad del Aire fija límites máximos para la emisión de sustancias

contaminantes y de olores, entre los cuales están el amoniaco y el ácido

sulfhídrico generados por la descomposición del estiércol (MAVDT, 2006).

La normativa de esta índole en Colombia aún carece de estímulos por las buenas

prácticas en el manejo de excretas ganaderas; por tanto, el gobierno debe

responsabilizarse de la monitorización periódica en los sistemas ganaderos para

controlar las descargas excedentes de contaminantes al ambiente y a los recursos

naturales, y además deben promover las compensaciones por bonos de carbono.

Ley 99 de diciembre 22 de 1993. Elaborada por el Congreso de la República de

Colombia. Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el

Sector Publico encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los

recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental, SINA y

se dictan otras disposiciones. Una de las funciones del Ministerio es regular las

condiciones generales para el saneamiento del medio ambiente, y el uso, manejo,

aprovechamiento, conservación, restauración y recuperación de los recursos

30

naturales, a fin de impedir, reprimir, eliminar o mitigar el impacto de actividades

contaminantes, deterior antes o destructivas del entorno o del patrimonio natural.

Política Nacional para la gestión Integral de Residuos, 1997. Elaborada por el

Ministerio del Medio Ambiente. Contiene el diagnóstico de la situación de los

residuos, los principios específicos (Gestión integrada de residuos sólidos, análisis

del ciclo del producto, gestión diferenciada de residuos aprovechables y basuras,

responsabilidad, planificación y gradualidad), los objetivos y metas, las estrategias

y el plan de acción. Plantea como principio la reducción en el origen,

aprovechamiento y valorización, el tratamiento y transformación y la disposición

final controlada, cuyo objetivo fundamental es "impedir o minimizar" de la manera

más eficiente, los riesgos para los seres humanos y el medio ambiente que

ocasionan los residuos sólidos y peligrosos, y en especial minimizar la cantidad o

la peligrosidad de los que llegan a los sitios de disposición final, contribuyendo a la

protección ambiental eficaz y al crecimiento económico.

Resolución 1045 del 26 de septiembre de 2003. Elaborada por el Ministerio de

Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Por la cual se adopta la metodología

para la elaboración de los Planes de Gestión Integral de Residuos Sólidos,

PGIRS, y se toman otras determinaciones.

Decreto 948 de 1995. Reglamento de protección y control de la calidad del aire. El

presente Decreto tiene por objeto definir el marco de las acciones y los

mecanismos administrativos de que disponen las autoridades ambientales para

mejorar y preservar la calidad del aire; y evitar y reducir el deterioro del medio

ambiente, los recursos naturales renovables y la salud ocasionados por la emisión

de contaminantes químicos y físicos al aire; a fin de mejorar la calidad de vida de

la población y procurar su bienestar bajo el principio del Desarrollo Sostenible.

31

DECRETO 2 DE 1982. Por el cual se reglamentan parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979 y el Decreto Ley 2811 de 1974, en cuanto a emisiones atmosféricas.

5. METODOLOGIA

5.1 TIPO DE ESTUDIO

32

El estudio que se realizará es de carácter exploratorio, porque se va a comparar el

poder calorífico del biogás generado a partir de las heces fecales de origen bovino

y de equino. Este tipo de estudio tiene pocos antecedentes teóricos,

específicamente en cuanto a la comparación del poder calorífico de estos

biocombustibles. Este proyecto puede servir como base para futuras

investigaciones relacionadas con este tema.

5.2 METODO DE INVESTIGACIÓNEsta investigación se basa en el método de deducción, porque se parte de los

estudios realizados en otras investigaciones acerca de la generación de biogás a

partir de heces fecales, tanto de origen bovino como de equino; para poder

determinar cuál de los dos tipos de biogás a generar tiene un mayor poder

calorífico de acuerdo a sus propiedades químicas, físicas y biológicas.

5.3 LOCALIZACIÓNLa investigación se desarrollara en la Universidad de Córdoba con sede en el

corregimiento de Berastegui, kilómetro 12 vía municipio de Ciénaga de Oro,

departamento de Córdoba, Colombia; con una temperatura promedio de 27°C,

humedad relativa 80% y 20 m.s.n.m, situada geográficamente en las coordenadas

8º40`26“W.

Figura 1. Ubicación geográfica Universidad de Córdoba sede de Berastegui.

33

Fuente: Imágenes 2013 @DigitalGlobe, U.S. Geological Survey, Datos de mapa

@2013 Google y www.unicordoba.edu.co

5.4 FUENTES Y TÉCNICAS PARA LA RECOLECCION DE LA INFORMACIÓN

5.4.1 FUENTES DE INFORMACION Las bases de información de esta investigación se fundamentan en los siguientes

proyectos:

Producción de biogás a partir de residuos orgánicos en biodigestores de bajo

coste.

Obtención de biogás a partir de excretas de ovino y vacuno para uso

doméstico.

Proyecto de investigación de biogás producido con residuos cítricos y estiércol.

5.4.2 FUENTES SECUNDARIASDependiendo de su fuente, el biogás puede presentar diferentes características

bioquímicas y físicas, en esta investigación se hace indispensable medirlos, entre

ellos están el porcentaje de humedad, temperatura, pH y el poder calorífico.

Para la medición de los parámetros se emplean una serie de formatos donde se

recolecta la información obtenida. (Anexos A, B y C)

5.5 DISEÑO METODOLOGICOSelección de biomasa a utilizar

La biomasa a utilizar son las excretas de origen de ganado bovino y de equino.

Caracterizar las excretas

Determinar las características químicas, físicas y biológicas de las heces fecales

de los ganados bovino y equino, en un tiempo establecido de dos semanas. Para

34

poder comparar y tener un balance entre los datos diarios tomados en el estudio

de las propiedades de estos residuos orgánicos. Estas caracterizaciones se

realizaran en los laboratorios requeridos, como son de química, microbiología y

física.

Tipo de procesoEl tipo de proceso a desarrollar es de biodigestión anaerobia que es continuo, ya

que se alimenta diario y diario se obtendrán productos, se considera que

acondiciones normales de temperatura en Berastegui(27 ºC temperatura

promedio), el rango de operación de la biodigestión mesofilica puede funcionar sin

emplear un sistema de calentamiento alterno, porque el rango es de 20 ºC a 35

ºC- 45 ºC.

Selección del biodigestor

Al seleccionar el biodigestor se tendrá en cuenta la materia prima a utilizar, las

condiciones ambientales de Berastegui, su resistencia y durabilidad, así como el

costo económico que implica la fabricación o compra de este equipo. El

biodigestor seleccionado es el biodigestor tubular o planta de balón.

Volumen de heces fecalesSe procederá a recolectar diariamente las excretas de ganado bovino y de

equino, cada una de estas se guardaran en depósitos diferentes.

El volumen de heces fecales que serán procesadas depende de la cantidad de

residuos expulsados por las especies animales y del diseño del biodigestor.

En el biodigestor de balón los tubos de conexión tendrán un diámetro de 0.76m y

1.90 m de altura, Con estas dimensiones se puede calcular el volumen del

35

biodigestor porque este tiene forma cilíndrica, para determinar el volumen máximo

de proceso, dejando 0.20 m libres en la parte superior para la acumulación de gas.

Instalación del Biodigestor

El Biodigestor lleva en su proceso de instalación una cámara de mezcla que tiene

unas dimensiones de 5x5 m (metros), conectado a una a un balón de 0.76m de

diámetro, 1.90 m de altura y 8 m de largo, este a su vez está conectado a una

cámara de salida con dimensiones de 3x3 m. El biodigestor estará alojado a 8 m

de las caballerizas en la Universidad de Córdoba, sede de Berastegui

Proceso de biodigestión

El excremento es introducido a la cámara de mezcla. El material se deja a

fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes

orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno.

El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos

bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico

produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama

biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso

genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál

puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el

tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados.

Caracterización de los biogás

Dos días a la semana se tomaran muestras del biogás para ser analizadas en el

laboratorio químico, físico y microbiológico, para determinar las características de

los biogás generados. Estas propiedades a analizar son temperatura, pH, poder

calorífico, humedad.

Comparación de poder calorífico de los biogás

36

A partir de las propiedades analizadas se determinara cual tiene mayor poder

calorífico para determinar si puede ser utilizado para las cafeterías de la

Universidad de Córdoba.

Análisis de resultado

Al finalizar se realizara el análisis de resultado donde se tendrán en cuenta todos

los factores que contribuyeron en esta investigación

6. CRONOGRAMA

ACTIVIDAD TIEMPO EN SEMANAS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Caracterización Heces Fecales

Recolección de Heces Fecales

Montaje del BiodigestorRecolección del Biogás

Caracterización del biogásComparación

Poder Calorífico de los Biogás

37

Análisis de Resultados

Revisión Bibliográfica

38

ITEM DESCRIPCIÓN VALOR UNITARIO ($) CANTIDAD UNIDAD VALOR

TOTAL ($)

1 Transporte 1700 200 Ud 340000

2 Fotocopia 100 200 Ud 20000

3 Impresiones 300 350 Ud 105000

4 Internet 1000 25 Hr 25000

5 Papelería 50000 1 Glb 50000

6Caracterización de las heces fecales

750000 2 Ud 1500000

7Estudios Fisicoquímicos del Biogás

900000 2 Ud 1800000

SUBTOTAL 3840000

IMPREVISTO (5%) 192000

TOTAL 4032000

7. PRESUPUESTO

39

BIBLIOGRAFIAS

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Bogotá, 1974. [Citado]. Disponible en la página de internet: http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=1551

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su relación con la alimentación. [On line] .Rio Cuarto, 2006. [Citado 4 de

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40

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SEOÁNEZ, Mariano. Ingeniería del Medio Ambiente. Tratado de Gestión del

Medio Ambiente Urbano. España: Mundi-Prensa, 2000. 197 p.

41

ANEXOS

42

ORIGENCANTIDAD DE HECES FECALES

SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 TOTAL (Kg)

BOVINO

EQUINO

ANEXO A.

FORMATO PARA LA CANTIDAD EN KG DE HECES FECALES RECOLECTADAS

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ANEXO B.

FORMATO PARA LAS CARACTERISTICAS FISICO-QUIMICAS DEL BIOGAS

CARACTERISTICAS

TIPO DE BIOGAS

ORIGEN BOVINO

MES 1 MES 2PROMEDIO

SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4

PH

Temperatura

% Humedad

Poder Calorífico (KJ)

Cantidad en LTOTAL

44

ANEXO CFORMATO PARA LAS CARACTERISTICAS FISICO-QUIMICAS DEL BIOGAS

CARACTERISTICAS

TIPO DE BIOGAS

ORIGEN EQUINO

MES 1 MES 2PROMEDIO

SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4

PH

Temperatura

% Humedad

Poder Calorífico (KJ)

Cantidad en LTOTAL

45

11

12