Biomasa: alternativa sustentable para la produccin de Biogs Enviado por Leila Carballo Abreu | Comentar este trabajo | Ver trabajos relacionados 1. Qu es la biomasa?

2. Fuentes de biomasa

3. Procesos de conversin de la biomasa

4. Descomposicin anaerobia

5. Qu es el biogs?

6. Factores que influyen en el proceso de digestin anaerobia

7. Reactores o sistemas anaerobios

8. Aplicaciones de la digestin anaerobia

9. Uso de la digestin anaerobia en algunos pases

10. Bibliografa

1.1 Qu es la biomasa? El trmino biomasa se refiere a toda la materia orgnica que proviene de rboles, plantas y

desechos de animales que pueden ser convertidos en energa; o las provenientes de la

agricultura (residuos de maz, caf, arroz, etc.), del aserradero (podas, ramas, aserrn,

cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgnica y otros). Esta es la fuente

de energa renovable ms antigua conocida por el ser humano, pues ha sido usada desde

que nuestros ancestros descubrieron el secreto del fuego.

Atendiendo al origen es posible diferenciar, desde un punto de vista ecolgico, biomasas de

distintos rdenes:

Biomasa primaria: es la materia orgnica formada directamente por los seres

fotosintticos (algas, plantas verdes y dems seres auttrofos). Este grupo comprende toda

la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrcolas (paja o restos de podas) y forestales

(leas).

Biomasa secundaria: es la producida por los seres hetertrofos que utilizan en

su nutricin la biomasa primaria. Este tipo de biomasa implica una transformacin

biolgica de la biomasa primaria para formar un nuevo tipo de biomasa de naturaleza

distinta a la inicial. Un ejemplo sera la carne o las deyecciones debidas a los animales

herbvoros.

Biomasa terciaria: es la producida por los seres que se alimentan de biomasa

secundaria, como sera el caso de la carne de los animales carnvoros, que se alimentan de

los herbvoros.

Desde la prehistoria, la forma ms comn de utilizar la energa de la biomasa ha sido por

medio de la combustin directa: quemndola en hogueras a cielo abierto, en hornos y

cocinas artesanales e, incluso, en calderas; convirtindola en calor para suplir las

necesidades de calefaccin, coccin de alimentos, produccin de vapor y generacin de

electricidad.

Los avances tecnolgicos han permitido el desarrollo de procesos ms eficientes y limpios

para la conversin de la biomasa en energa; trasformndola, por ejemplo, en combustibles

lquidos o gaseosos, los cuales son ms convenientes y eficientes. As aparte de la

combustin directa, se pueden distinguir otros dos tipos de procesos: el termoqumico y el

bioqumico.

Las fuentes ms importantes de biomasa son los campos forestales y agrcolas pues en ellos

se producen residuos que normalmente son dejados en el campo al consumirse slo un bajo

porcentaje de ellos con fines energticos. En la agroindustria, los procesos de secado de

granos generan subproductos que son usados para generacin de calor en sistemas de

combustin directa; tal es el caso del bagazo de caa de azcar, la cascarilla de caf y la de

arroz. Por otro lado, los centros urbanos generan grandes cantidades de basura compuesta

en gran parte, por materia orgnica que puede ser convertida en energa, despus de

procesarla adecuadamente.

En economas de orientacin agrcola, el uso apropiado de la biomasa ofrece una alternativa

para reducir los costos de operacin por concepto de insumos energticos, adems, es una

solucin para los problemas higinico-ambientales que, en muchos casos, presentan los

desechos orgnicos.

Actualmente, los procesos modernos de conversin solamente suplen 3% del consumo de

energa primaria en pases industrializados. Sin embargo, gran parte de la poblacin rural

en los pases subdesarrollados que representan cerca del 50% de la poblacin mundial, an

dependen de la biomasa tradicional, principalmente de lea, como fuente de energa

primaria. Esta suple, aproximadamente, 35% del consumo de energa primaria en pases

subdesarrollados y alcanza un 14% del total de la energa consumida en el nivel mundial.

1.2 Fuentes de biomasa Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la produccin de energa cubren un

amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la acuicultura,

los desechos urbanos y las plantaciones energticas, se usan generalmente, para procesos

modernos de conversin que involucran la generacin de energa a gran escala, enfocados

hacia la sustitucin de los combustibles fsiles.

Los residuos agrcolas, como la lea y el carbn vegetal, han sido usados en procesos

tradicionales en los pases en vas de desarrollo y a usos primarios en pequea escala, por

ejemplo, la coccin de alimentos o las pequeas actividades productivas como panaderas,

calderas, secado de granos, etc.

Plantaciones energticas

Estas son grandes plantaciones de rboles o plantas cultivadas con el fin especfico de

producir energa. Para ello se seleccionan rboles o plantas de crecimiento rpido y bajo

mantenimiento, las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor productivo. Su

perodo de cosecha vara entre los tres y los diez aos. Tambin se utilizan arbustos que

pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para extender la capacidad de

cosecha de la plantacin.

Existen tambin muchos cultivos agrcolas que pueden ser utilizados para la generacin de

energa: caa de azcar, maz, sorgo y trigo. Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas

como palma de aceite, girasol o soya y algunas plantas acuticas como jacinto de agua o las

de algas, para producir combustibles lquidos como el etanol y el biodiesel.

Residuos forestales

Los residuos de procesos forestales son una importante fuente de biomasa que actualmente

es poco explotada. Se considera que de cada rbol extrado para la produccin maderera,

slo se aprovecha comercialmente un porcentaje cercano al 20%. Se estima que un 40% es

dejado en l, en las ramas y races, a pesar de que el potencial energtico es mucho y otro

40% en el proceso de aserro, en forma de astillas, corteza y aserrn.

La mayora de los desechos de aserro son aprovechados para generacin de calor, en

sistemas de combustin directa, en algunas industrias se utilizan para la generacin de

vapor. Los desechos de campo, en algunos casos, son usados como fuente de energa por

comunidades aledaas, pero la mayor parte no es aprovechada por el alto costo del

transporte.

Desechos agrcolas

La agricultura genera cantidades considerables de desechos: se estima que, en cuanto a

desechos de campo, el porcentaje es ms del 60%, y en desechos de proceso, entre 20% y

40%.

Al igual que en la industria forestal, muchos residuos de la agroindustria son dejados en el

campo. Aunque es necesario reciclar un porcentaje de la biomasa para proteger el suelo de

la erosin y mantener el nivel de nutrientes orgnicos, una cantidad importante puede ser

recolectada para la produccin de energa. Ejemplos comunes de este tipo de residuos son

el arroz, el caf y la caa de azcar.

Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de residuos hmedos en forma de

estircol de animales. La forma comn de tratar estos residuos es esparcindolos en los

campos de cultivo, con el doble inters de disponer de ellos y obtener beneficio de su valor

nutritivo. Sin embargo, cuando existen cantidades elevadas de estircol esta prctica puede

provocar una sobrefertilizacin de los suelos y la contaminacin de las cuencas

hidrogrficas.

Desechos industriales

La industria alimenticia genera una gran cantidad de residuos y subproductos, que pueden

ser usados como fuentes de energa, los provenientes de todo tipo de carnes (avcola,

vacuna, porcina) y vegetales (cscaras, pulpa) cuyo tratamiento como desechos representan

un costo considerable para la industria. Estos residuos son slidos y lquidos con un alto

contenido de azcares y carbohidratos, los cuales peden ser convertidos en combustibles

gaseosos. Otras industrias tambin generan grandes cantidades de residuos que pueden ser

convertidas para su aprovechamiento energtico, entre estas tenemos a la industria del

papel, del plstico, las destileras, etc.

Desechos urbanos

Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa en muchas formas, por

ejemplo: residuos alimenticios, papel, cartn, madera y aguas negras. La carencia de

sistemas adecuados para el procesamiento de estos residuos genera grandes problemas de

contaminacin de suelos y cuencas, sobre todo por la inadecuada disposicin de la basura y

por sistemas de recoleccin y tratamiento con costos elevados operacin.

Por otro lado, la basura orgnica en descomposicin produce compuestos voltiles (metano,

dixido de carbono, entre otros) que contribuyen a aumentar el efecto invernadero. Estos

compuestos tienen considerable valor energtico que puede ser utilizado para la generacin

de energa limpia.

1.3 Algunas caractersticas de la biomasa Para evaluar la factibilidad tcnica y econmica de un proceso de conversin de biomasa en

energa, es necesario considerar ciertos parmetros y condiciones que caracterizan y

determinan el proceso de conversin mas adecuado y permiten realizar proyecciones de los

beneficios econmicos y ambientales esperados.

1.3.1 Tipo de biomasa

Los recursos biomsicos se presentan en diferentes estados fsicos que determinan la

factibilidad tcnica y econmica de los procesos de conversin energtica que pueden

aplicarse a cada tipo en particular. Por ejemplo, los desechos forestales indican el uso de los

procesos de combustin directa o procesos termoqumicos, los residuos animales indican el

uso de procesos anaerbicos (bioqumicos), etc. El estado fsico de la biomasa puede

clasificarse segn el tipo de recurso, como se indica en la tabla 1:

Tabla 1: Caractersticas fsicas de distintos recursos de biomasa

Recursos de biomasa

Tipo de residuo Caractersticas fsicas

Restos de aserro: corteza aserrn, astillas. Polvo, slido, Humedad relativa (HR)>50% Restos de ebanistera: aserrn, trozos, astillas Polvo slido, HR 30-45%

Residuos Forestales

Restos de plantaciones: ramas, corteza, races. Slido, HR >55%

Cscara y pulpa de frutas y vegetales, Slido, alto contenido humedad

Cscara y polvo de granos secos (arroz, caf) Polvo, HR55%

Pulpa y cscara de frutas y vegetales Slido, humedad moderada

Residuos de procesamiento de carnes Slido, alto contenido humedad

Aguas de lavado y precocido de carnes y vegetales Lquido

Residuos industriales

Grasas y aceites vegetales Liquido, grasoso

Aguas negras Lquido

Desechos domsticos orgnicos (cscaras de vegetales) Slido, alto contenido humedad

Residuos urbanos

Basura orgnica (madera) Slido, alto contenido humedad 1.3.2 Composicin qumica y fsica

Las caractersticas qumicas y fsicas de la biomasa determinan el tipo de combustible o

subproducto energtico que se puede generar, por ejemplo, los desechos animales producen

altas cantidades de metano, mientras que la madera pueden producir el denominado "gas

pobre", que es una mezcla rica en monxido de carbono (CO). Por otro lado, las

caractersticas fsicas influyen en el tratamiento previo que sea necesario aplicar.

1.3.3 Contenido de humedad relativa (H.R)

El contenido de humedad de la biomasa es la relacin de la masa de agua contenida por

kilogramo de materia seca. Para la mayora de los procesos de conversin energtica 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 conversin de energa.

1.3.4 Porcentaje de cenizas

El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia slida no combustible por kilogramo

de material. En los procesos que incluyen la combustin de la biomasa, es importante

conocer de generacin de ceniza y su composicin, pues, en algunos casos, sta puede ser

utilizada.

1.3.5 Poder calrico

El contenido calrico por unidad de masa es el parmetro que determina la energa

disponible en la biomasa. Su poder calrico est relacionado directamente con su contenido

de humedad. Un elevado porcentaje de humedad reduce la eficiencia de la combustin

debido a que una gran parte del calor liberado se usa para evaporar el agua y no se

aprovecha en la reduccin qumica del material.

1.3.6 Densidad aparente

Esta se define como el peso por unidad de volumen del material en el estado fsico que

presenta, bajo condiciones dadas. Combustibles con alta densidad aparente favorecen la

relacin de energa por unidad de volumen, requirindose menores tamaos de los equipos

y aumentando los perodos 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 combustin, y

eleva los costos del proceso.

1.3.7 Recoleccin, transporte y manejo

Las condiciones para la recoleccin, el transporte y el manejo en planta de la biomasa son

factores determinantes en la estructura de costos de inversin y operacin en todo proceso

de conversin energtica. La ubicacin del material respecto a la planta de procesamiento y

la distancia hasta el punto de utilizacin de la energa convertida, deben analizarse

detalladamente para lograr un nivel de operacin del sistema por encima del punto de

equilibrio, con relacin al proceso convencional.

1.4 Procesos de conversin de la biomasa Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines energticos, tiene que ser convertida en

una forma ms conveniente para su trasporte y utilizacin. A menudo, la biomasa es

convertida en formas derivadas tales como carbn vegetal, briquetas, gas, etanol y

electricidad.

Las tecnologas de conversin incluyen desde procesos simples y tradicionales, como la

produccin de carbn vegetal en hogueras bajo tierra, hasta procesos de alta eficiencia

como la dendro-energa y la cogeneracin. Los principales procesos de conversin son:

1.4.1 Conversin Termoqumica

La conversin termoqumica est basada en la descomposicin de la biomasa por medio de

calor. Esta transforma a la biomasa en productos con un ms alto valor o ms convenientes

y, dependiendo de las condiciones del proceso, se obtienen diferentes proporciones de

productos slidos, lquidos y gaseosos:

1. Combustin directa

2. Pirolisis

3. Gasificacin

1.4.2 Conversin Bioqumica

Consisten en la transformacin de la biomasa por la accin de microorganismos o de

enzimas, que son aadidas a los medios de reaccin como catalizadores. Los mtodos

bioqumicos son ms adecuados a biomasas con un alto contenido de humedad, debido a

que tanto los microorganismos como las enzimas slo pueden ejercer sus acciones en

ambientes acuosos, entre los procesos de conversin bioqumica se encuentran:

1. Digestin anaerobia

2. Fermentacin alcohlica

1.4.5 Conversin Fisicoqumica (Prensado/extraccin)

La ruta de conversin fisicoqumica produce un biocombustible lquido a partir de la

biomasa que contiene aceite vegetal. Esta tecnologa es similar a las rutas de conversin

para producir aceite vegetal en la industria alimenticia.

El aceite vegetal se produce al prensar y/o extraer el aceite de la semilla. De manera que

slo se pueden usar especies que contienen aceite, como la semilla de colza, el girasol, el

frjol de soya y el aceite de palma, etc.

1.5 Descomposicin Anaerobia El proceso anaerobio es aquel en que se efecta la degradacin de la materia orgnica en

ausencia de oxgeno molecular como aceptor de electrones. Tal es el caso, por ejemplo, de

los procesos de produccin de alcohol, los procesos de desnitrificacin y de digestin

anaerobia, estos dos ltimos empleados en el tratamiento de aguas residuales.

Los procesos de digestin anaerobia ocurren normalmente en la naturaleza, siendo los

nichos de estos procesos el fondo de los ros, los lagos y el mar, las cinagas y el tracto

intestinal de, prcticamente, todos los animales.

El proceso de digestin anaerobia se emplea en el tratamiento de residuales slidos o

lquidos cuando la concentracin de materia orgnica es tan elevada que no resulta

econmico el tratamiento aerobio.

Esta situacin se presenta generalmente cuando la concentracin de la demanda qumica de

oxgeno (DQO) es relativamente elevada. Sin embargo, en los ltimos aos se ha venido

aplicando este proceso, con xitos, a aguas residuales con bajo contenido de materia

orgnica.

La ventaja principal de los procesos anaerobios con relacin a los aerobios se fundamenta

en la transformacin de la materia orgnica a travs de una tecnologa de bajo consumo

energtico, obtenindose, un balance comparativo de energa y de masa entre ambos

procesos, los resultados se muestran en la tabla 2:

Tabla 2: Balance energtico de los procesos aerobios y anaerobios

Proceso aerobio Proceso anaerobio

Durante los procesos aerobios cerca del 60% de la energa se consumo durante la sntesis de nueva biomasa (clulas de microorganismos) y el 40% de la energa se pierde en la forma de calor de reaccin.

Durante los procesos anaerobios casi 90% de la energa que existe originalmente en el sustrato (residual) se retiene en el biogs que se produce durante estos procesos perdiendo solamente en 7% de la energa inicial como calor de reaccin.

Durante los procesos aerobios cerca del 50% del carbono contenido en el sustrato se convierten biomasa y otros 50% pasa a bixido de carbono.

Durante los procesos anaerobios cerca del 95% pasa a biogs (metano (CH4, C02) y slo el 5% es convertido biomasa.

Lo anterior trae como consecuencia los aspectos prcticos siguientes:

En los procesos anaerobios se consumo mucho menos energa externa,

fundamentalmente elctrica, que en los procesos aerobios, no necesitndose, adems,

equipos mecnicos para el desarrollo de estos (por ejemplo compresores o agitadores

mecnicos), adems, se obtiene energa, en forma de gas combustible, til para cualquier

fin energtico.

En los procesos anaerobios slo se generan del 10 al 30% de los lobos (biomasas)

que se producen en los aerobios, lo que disminuye considerablemente los costos de

disposicin final de estos; adems, los lobos anaerobios estn mucho ms estabilizados que

los aerobios.

En los procesos anaerobios no se producen aerosoles potencialmente peligrosos

para el ambiente circundante de la planta de tratamiento.

Por cada kilogramo de DQO eliminado por el metabolismo bacteriano, la va

aerobia (lodo activado) requerir 1 Kwh. de energa elctrica para el equipo de aeracin.

Mientras la va anaerobia producir el equivalente de 3 Kwh., como energa qumica

acumulada en el CH4, la cual puede ser convertida en una mquina de combustin acoplada

a un generador elctrico de eficiencia media (20%), lo que resulta en 0.6 Kwh. de energa

elctrica/Kg. de DQO removida.

La aplicacin de un proceso anaerobio previo a un sistema aerobio puede mejorar la

sedimentabilidad del lodo contribuyendo a mantener valores constantes del ndice

volumtrico de lodo y un control mayor del fenmeno de abultamiento en el sistema

aerobio.

1.6 Qu es el biogs? El biogs es un gas producto del resultado de la degradacin anaerobia de materia orgnica,

dicho gas est compuesto por cerca de 60% de metano y 40% de dixido de carbono.

Contiene mnimas cantidades de otros gases, entre ellos 1% de cido sulfhdrico. Es un poco

ms liviano que el aire, posee una temperatura inflamacin de 700 C y su llama alcanza

una temperatura de 870 C .

El biogs puede ser utilizado como cualquier otro combustible, tanto para la cohesin de

alimentos, en sustitucin de la lea, el queroseno, el gas licuado, etc., como para el

alumbrado, mediante lmparas adaptadas. Mezclas de biogs con aire, con una relacin

1:20, forman un gas detonante altamente explosivo, lo cual permite que tambin sea

empleado como combustible en motores de combustin interna adaptados.

Es importante aclarar que este gas puede usarse como combustible slo cuando el metano

se encuentra en concentraciones mayores o iguales a 50 %.

1.7 Factores que influyen en el proceso de digestin anaerobia Durante mucho tiempo se consider a la digestin anaerobia como un sistema bifsico,

compuesto por la fase no metanognica en que las bacterias anaerobias transformaban los

substratos en productos solubles y gaseosos incluyendo acetatos, CO2, H2; y otra, la

metanognica donde las bacterias formadoras de metano (CH4) utilizaban el acetato,

mezclas de H2 y CO2 entre otros substratos para su metabolismo. Los trminos con que se

han identificado estas fases (acidificacin y gasificacin) no fueron del todo correctos; por

cuanto, en la primera etapa no todos los productos que se forman son cidos; as como no

todos los productos gaseosos son derivados de la llamada etapa de gasificacin

Ms tarde, se admiti que en la fermentacin bacteriana intervienen poblaciones

microbianas diversas, en la que se distinguen cuatro etapas: hidrlisis, acidognesis,

acetognesis y metanognesis.

Hidrlisis o licuefaccin: en esta etapa los compuestos orgnicos son solubilizados

por enzimas excretadas por bacterias hidrolticas que actan el exterior celular por lo que se

consideran exoenzimas. La hidrlisis es por tanto, la conversin de polmeros en sus

respectivos monmeros.

Acidognesis: en esta etapa los compuestos orgnicos solubles que comprenden los

productos de la hidrlisis son convertidos en cidos orgnicos tales como actico,

propinico y butrico, fundamentalmente.

Acetognesis: se le conoce tambin como acidognesis intermediaria en la cual los

productos correspondientes son convertidos en cido actico, hidrgeno y dixido de

carbono.

Metanognesis: en esta etapa metablica el CH4 es producido a partir del cido

actico o de mezclas de H2 y CO2, pudiendo formarse tambin a partir de otros sustratos

tales como cido frmico y metanol.

Las cuatro etapas metablicas que ocurren en los procesos de digestin anaerobia pueden

ser representadas segn la figura 1.

Figura 1: Etapas de la fermentacin bacteriana (Montalvo, 2003)

En el proceso de conversin anaerobia tambin intervienen otros factores como por

ejemplo: del pH, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes, la presencia de sustancias

txicas, el tiempo de retencin, la relacin carbono nitrgeno (C:N ) y el nivel de carga

(An 1996).

1. PH

El rango de pH ptimo es de 6.6 a 7.6. Los cidos grasos voltiles (AGV) y el

acetato tienden a disminuir el pH del sustrato. Si las bacterias metanognicas no

alcanzan a convertir rpidamente los AGV a medida que lo producen las

bacterias acetognicas, estos se acumulan y disminuyen el pH en el biodigestor.

Sin embargo, el equilibrio CO2-bicarbonato opone resistencia al cambio de pH.

Existen dos mtodos prcticos para corregir los bajos niveles de pH en el

biodigestor. El primero es parar la alimentacin del biodigestor y dejar que las

bacterias metanognicas asimilen los AGV; de esta forma aumentar el pH hasta

un nivel aceptable. Deteniendo la alimentacin disminuye la actividad de las

bacterias fermentativas y se reduce la produccin de los AGV. Una vez que se

haya restablecido el pH se puede continuar la alimentacin del biodigestor pero

en pocas cantidades, despus se puede ir aumentando gradualmente para evitar

nuevos descensos.

El segundo mtodo consiste en adicionar sustancias buffer para aumentar el pH,

como el agua con cal. Las cenizas de soda (carbonato de sodio) constituyen una

variante ms costosa, pero previenen la precipitacin del carbonato de calcio.

Los requerimientos de buffer varan segn el residual, los sistemas de operacin

y tipos de operacin. Las normas para calcular estos requerimientos han sido

desarrolladas por Pohland y Suidon (1978).

2. Temperatura

Los niveles de reaccin qumica y biolgica normalmente aumentan con el

incremento de la temperatura. Para los biodigestores de biogs esto es cierto

dentro de un rango de temperatura tolerable para diferentes microorganismos.

Las altas temperaturas causan una declinacin del metabolismo, debido a la

degradacin de las enzimas; y esto es crtico para la vida de las clulas. Los

microorganismos tienen un nivel ptimo de crecimiento y metabolismo dentro

de un rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles

superiores, los cuales dependen de la termoestabilidad de la sntesis de

protenas para cada tipo particular de microorganismo.

Las bacterias metanognicas son ms sensibles a los cambios de temperatura

que otros organismos en el biodigestor. Esto se debe a que los dems grupos

crecen ms rpido, como las acetognicas, las cuales pueden alcanzar un

catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas.

Existen tres rangos de temperatura para la digestin de residuales, el primero es

el mesoflico (de 20 a 45 0C), el segundo es el termoflico (por encima de 45 0C).

El ptimo puede ser de 35 0C a 55 0C. La ventaja de la digestin termoflica es

que la produccin de biogs es aproximadamente el doble que la mesoflica, as

que los biobiodigestores termoflicos pueden ser la mitad en volumen que los

mesoflicos, manteniendo su eficiencia general.

Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestin termoflica en pases

templados. Sin embargo, se requieren considerables cantidades de energa para

calentar los residuales hasta 55 0C. El tercer rango (psicroflico) ocurre entre los

10 y 25 0C. Existen algunas restricciones para el uso de esta temperatura en la

digestin anaerobia, como son la necesidad de utilizacin de: reactores

anaerobios de cama fija (UASB), inculos mesoflicos, un tiempo de retencin

alto y mantener una acidificacin baja.

3. Nutrientes

Adems de una fuente de carbono orgnico, los microorganismos requieren de

nitrgeno, fsforo y otros factores de crecimiento que tienen efectos complejos.

Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentracin ptima

para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben severamente por falta de

nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de nutrientes no debe ser un problema

con los alimentos concentrados, pues estos aseguran en ms que suficientes las

cantidades de nutrientes.

Por otra parte, la descomposicin de materiales con alto contenido de carbono

ocurre ms lentamente, pero el perodo de produccin de biogs es ms

prolongado. Los materiales con diferentes relaciones de C:N difieren

grandemente en la produccin de biogs. Por ejemplo, la relacin de C:N en

residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para

humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La relacin ptima se

considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relacin menor de 8:1 inhibe la

actividad bacteriana debido a la formacin de un excesivo contenido de amonio.

4. Toxicidad

Los compuestos txicos incluso en bajas concentraciones, afectan la digestin y

disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanognicas son

generalmente las ms sensibles, aunque todos los grupos pueden ser afectados.

Un nutriente esencial tambin puede ser txico si su concentracin es muy alta.

En el caso del nitrgeno, mantener un nivel ptimo para garantizar un buen

funcionamiento sin efectos txicos es particularmente importante. Por ejemplo,

en alimentos de alto contenido de protena para el ganado, un desbalance por

altos contenidos de nitrgeno y bajas disponibilidades energticas, causa

toxicidad por generacin de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe

ser mantenido en 80 ppm. Sin embargo, una concentracin ms alta, alrededor

de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada.

Se debe tener precaucin para evitar la entrada al biodigestor de ciertos iones

metlicos, sales, bactericidas y sustancias qumicas sintticas. Se reportado la

reduccin de gas cuando son utilizadas excretas de animales tratados con

antibiticos.

5. Nivel de Carga

Este parmetro es calculado como la materia seca total (MS) o materia orgnica

(MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cbico de volumen de

biodigestor. La MO o slidos voltiles (SV) se refiere a la parte de la MS o slidos

totales (TS), que se volatilizan durante la incineracin a temperaturas superiores

a 500 0C. Los SV contienen componentes orgnicos, los que tericamente deben

ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un contenido

de MS mayor del 10 % de la mezcla agua estircol. Segn los requerimientos

operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el

10 % de la mezcla agua estircol en la mayora de los casos. Por eso, los

residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados.

La eficiencia de la produccin de biogs se determina generalmente expresando

el volumen de biogs producido por unidad de peso de MS o SV. La

fermentacin de biogs requiere un cierto rango de concentracin de MS que es

muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentracin ptima depende de

la temperatura. En China, la concentracin ptima es del 6% en el verano a

temperaturas entre 25-27 0C y entre 10 y 12 % en la primavera a temperaturas de

18-23 0C.

6. Tiempo de retencin

Existen dos parmetros para identificar el tiempo de retencin de las sustancias en el

biodigestor:

1. El tiempo de retencin de los slidos biolgicos (TRSB) que se determinan

dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al biodigestor entre la cantidad de MO que

sale del sistema cada da. El TRSB es asumido para representar la media del tiempo de

retencin de los microorganismos en el biodigestor.

2. El tiempo de retencin hidrulico (TRH) es la relacin entre el volumen del

biodigestor (VD) y la media de la carga diaria.

Estos parmetros son importantes para los biodigestores avanzados de alto nivel, los cuales

han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a travs de la retencin de la

biomasa. La medicin del TRH es ms fcil y ms prctico que el TRSB al nivel de las

granjas.

1.8 Reactores o sistemas anaerobios. En el presente hay, a nivel mundial, decenas de tipos de reactores o biodigestores

anaerobios ya aplicados o se estn estudiando con intensidad a escala de laboratorio.

Existen diferentes maneras de clasificar los reactores anaerobios que procesan aguas

residuales, pero la forma ms general es agruparlos y clasificarlos en biodigestores de

primera generacin y de segunda generacin tal como lo muestra la tabla 3:

Tabla 3: Clasificacin de los reactores anaerobios

De 2da generacin De 1ra generacin

Con crecimiento en soporte Con crecimiento disperso

Tanques spticos Lagunas anaerobias Minibiodigestores Biodigestores convencionales

Hbrido Lecho fijo Lecho fluidizado o expandido Filtro anaerobio con carbn activado Inmovilizacin de microorganismos Asociado a partculas suspendidas Contactor rotatorio anaerobio Columna de plato

Lodo activado anaerobio UASB EGSB Circulacin interna Con ascensin de gas Modificado de alta velocidad Membrana Flujo horizontal con deflectores Dos etapas Percoladores en serie Tubular inclinado

En los reactores de 1ra Generacin, el tiempo de retencin hidrulico es igual al tiempo de

retencin de slidos. En los de segunda generacin, el tiempo de retencin de slidos es

mayor que el tiempo de retencin hidrulico y como consecuencia, el proceso es mucho ms

eficiente.

Los sistemas de tratamientos anaerobios de segunda generacin ms aplicados a escala real

son los siguientes : reactor o biodigestor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodo

(UASB), reactor anaerobio de lecho fijo, proceso de contacto anaerobio o biodisco

anaerobio o contactor rotatorio anaerobio, reactor anaerobio con circulacin interna (IC),

reactor anaerobio con lecho granular expandido (EGSB), reactor hbrido, lecho fluidizado

y/o expandido.

1.8.1 Minibiodigestores

Estos biodigestores son utilizados, fundamentalmente, para obtener biogs a partir de

residuos domsticos y/o residuos agropecuarios (Souza, 1984; Larrondo, 1983). En el

primer caso sirven a una familia, o a pocas personas si son varias familias, y en el segundo

caso, a pequeas instalaciones pecuarias. En general stos consisten en fosas o pequeos

tanques que funcionan, casi siempre, en forma semicontinua.

En general no son altamente eficientes desde el punto de vista de la biodegradacin de los

residuos y adems necesitan elevados tiempo de retencin para lograr un buen

comportamiento del proceso. Los minibiodigestores ms utilizados a nivel mundial son los

de tipo hind o los del tipo chino, existiendo cientos de miles y millones, respectivamente .

Los minibiodigestores operan bajo el principio hidrosttico de que la entrada de la carga

diaria de residual al biodigestor por gravedad hasta el fondo del tanque, adems de

producir agitacin, provocada la salida de un volumen equivalente de lodos digeridos.

El biodigestor tipo hind consiste en un tanque reactor vertical que tiene instalado una

campana flotante recolectora de biogs. De esta forma, la presin del gas sobre la superficie

de la mezcla es muy baja, de alrededor de 300 mm de columna de agua. Con esta campana

se logra, adems, una presin constante, lo que permite una operacin eficiente de los

equipos a los que alimenta. La campana tambin ayuda al rompimiento de la espuma que se

forma en muchos biodigestores. En este biodigestor se alcanzan productividades

volumtricas (Pv) de 0.5 a 1m3 de biogs/volumen de reactor por da. Un esquema de dicha

instalacin se muestrea en la figura 2:

Figura 2: Biobiodigestor modelo hind

El biodigestor tipo chino no tiene campana flotante, sino techo fijo para la recoleccin del

biogs. Son tanques redondos y achatados con el techo y el piso en forma de domo. En este

caso, a medida que aumenta la produccin de gas, aumenta la presin en el domo o cpula

fija, forzando al lquido en los tubos de entrada y salida a subir, llegndose a alcanzar

presiones internas de hasta ms de 10 mm de columna de agua. Como consecuencia de la

variacin de presin, la que aumenta al generarse el gas y disminuye al consumirse ste, se

reduce la eficiencia en los equipos consumidores. La Pv en los biodigestores chinos est,

generalmente, entre 0.15 y 0.2 m3 /m3 *d. Un esquema de dicha instalacin se muestrea en

la figura 3.

Los tiempos de retencin de operacin para los biodigestores tipo chino son de 30 a 60

das, requirindose para alcanzar la misma eficiencia (mximo 50% de reduccin de la

materia orgnica) de 1/2 a 1/3 de este tiempo de retencin en los biodigestores tipo hind.

Figura 3: Biobiodigestor modelo chino

1.9 Aplicaciones de la digestin anaerobia La digestin anaerobia es considerada como una de las fuentes de energa ms econmicas

y de fcil adquisicin para pequeas comunidades. El biogs obtenido puede ser utilizado

para mltiples aplicaciones: coccin de alimentos, iluminacin, refrigeracin, calefaccin

ambiental para uso residencial y comercial, calor til para procesos industriales, echar

andar bombas de agua y otras maquinarias agrcolas, motores de combustin interna para

energa motriz, y generacin de electricidad tal como lo muestra en la figura 4:

Figura 4: Aplicaciones de la digestin anaerobia

Entre los factores que determinan el uso de la digestin anaerobia como una alternativa

viable que garantiza una fuente de energa renovable y confiable ms limpia podemos citar

los siguientes:

Ayuda a mitigar el cambio climtico, al prevenir que el metano sea liberado en el

aire.

Reduce la contaminacin del agua, al usar las materias primas que podran

terminar en ros o lagos.

La materia prima es de fcil recuperacin en ganado estabulado o donde los costos

laborales son bajos.

Es econmicamente viable con un abastecimiento regular de estircol de ganado o

de otra materia prima.

Requiere un rea pequea, en comparacin con la disposicin de los desechos

municipales slidos.

Incrementa las condiciones de higiene.

Reduce las molestias causadas por el olor.

Ayuda a reducir las plantas, que como los lirios acuticos se han vuelto una plaga.

Adems del combustible, el proceso de fermentacin proporciona lodos residuales

que pueden usarse como alimento para animales o como abono de excelente calidad y de

ms rpida produccin, contribuyendo de esta manera a la conservacin y el sostenimiento

de la fertilidad del suelo.

1.10 Uso de la digestin anaerobia en algunos pases 1.10.1 Pases en vas de desarrollo

La tecnologa del biogs es conocida en la mayora de los pases en vas de desarrollo,

misma que ha alcanzado un extenso uso en las ltimas dcadas. Los biodigestores en estos

pases son generalmente alimentados con estircol animal, un recurso biomsico con un

gran potencial. Tambin se han instalado con xito unidades ms pequeas, alimentadas

con los desperdicios de las cocinas, lirios acuticos, excremento humano y paja.

Figura 5: Una mujer cocinando con gas producido por estircol animal y humano,

Camboya. (Foto G. Buthaud/FAO).

China es un lder mundial en la aplicacin de las tecnologas de la digestin anaerobia. En

los aos de 1970, el gobierno chino desarroll el primer programa de biomasa a gran escala

cuando instal: 7 millones de biodigestores, principalmente en la provincia clida y hmeda

de Sechun, que proporcionan biogs para cocinar y alumbrar a unos 25 millones de

chinos; y, alrededor de 10,000 biodigestores de tamao grande y mediano que suministran

electricidad a las granjas.

Adems de los millones de unidades de tamao domstico en China, en la actualidad hay

unas 150 unidades que operan con aguas residuales de origen industrial. Y, por cuestiones

ambientales, existe la prioridad de utilizar la digestin anaerobia en las destileras y en

otras plantas industriales.

El segundo programa ms grande fue lanzado en la India, donde en 1985 se instalaron

280,000 biodigestores de pequea escala. An cuando en ese pas se encuentran en uso

varios modelos de plantas de biogs, la "Deenbabdhu" (que significa amigo del pobre) ha

sido rigurosamente probada en diferentes condiciones agroclimticas, y es considerada

como la ms fuerte y barata. La India est empezando a producir biogs a partir de los

desechos industriales. Un gran nmero de granjas lecheras, que durante muchos aos

haban sido una fuente importante de contaminacin para los ros, est usando ahora la

metanizacin para procesar el estircol animal y otros desechos, y el biogs resultante se

usa para generar energa. En la actualidad se han instalado tambin plantas para el uso de

las aguas residuales de algunas destileras (MPUVN, 2000).

Figura 6: Planta de metanizacin para procesar estircol de ganado en la generacin

elctrica. India (foto Madhya Pradesh Urja Vikas Nigam Ltd, Bhopal)

Se han desarrollado proyectos de colaboracin con el fin de promover el biogs en algunos

pases como Tanzania, Senegal, Viet Nam, Tailandia y, tambin, en Amrica Latina. La

transferencia de conocimientos y capacidades no es solamente una operacin Norte a Sur,

sino tambin Sur a Sur, como la India que promueve su tecnologa en Camboya.

No obstante, el nmero de proyectos de biogs que han tenido xito fuera de China y la

India es pequeo, y slo algunos pocos han comprobado ser sostenibles en un perodo ms

largo de tiempo. Se ha reportatado que, durante los aos de 1970 el gobierno brasileo

instal en la Provincia Noroeste alrededor de 200 biodigestores de diseo hind y chino.

Debido, en parte, al clima local ambos diseos tuvieron problemas de fracturas y corrosin,

y en consecuencia fugas y prdidas de gas. Recientemente, estos modelos han sido

mejorados y adaptados a las condiciones locales, como el biodigestor "PE" que ahora est

siendo usado con xito en la generacin de energa y la produccin de abonos.

1.10.2 Pases desarrollados

Los pases industrializados tienen algunos programas de divulgacin para el uso de los

biobiodigestores, y han construido biodigestores ms grandes y con un control ms

elaborado.

En estos pases, los biodigestores de metano tienden ms a usar los lodos de aguas

residuales, los desechos municipales slidos o las aguas orgnicas residuales de origen

industrial (procesamiento alimenticio, lecheras, cerveceras, farmacuticas, pulpa y papel y

produccin de alcohol).

Alemania, por ejemplo, ha implementado la primera planta piloto completa en un sistema

vitivincola sostenible que, con el fin de satisfacer su demanda de electricidad, usa las aguas

residuales y los desechos para obtener energa a travs de la conversin anaerobia .

Algunos pases, como Suecia, estn usando en la produccin de biogs tambin los

subproductos de cultivos que tienen un bajo contenido de lignina, tales como el trigo y la

alfalfa. Se ha encontrado que este ltimo es un cultivo preferible debido a los bajos costos

de sus insumos.

Figura 7: Recuperacin de gas de un relleno sanitario. Se usa en una (Foto Jenbacher

AG/BMWA planta trmica y de fuerza motriz combinada, Austria.)

El gas producido en los rellenos sanitarios est continuamente cobrando importancia.

Existen algunas plantas generadoras de energa que ya estn operando en Austria, Francia,

Finlandia, el Reino Unido y los Estados Unidos. BMWA reporta que, adems de algunas

pequeas instalaciones, la planta ms grande que genera energa a partir de los rellenos

sanitarios en Europa est en Viena, la cual ha recuperado gas para producir energa desde

1991, y algunos pases con clima seco como Israel, que no pueden destinar grandes reas

agrcolas para la bioconversin de combustibles, han instalado plantas de biogs para la

explotacin de los desechos municipales y agrcolas, as como tambin de las aguas

residuales. El gas es usado tanto para la generacin de electricidad en motores de diesel

modificados, o como una fuente de calor en procesos industriales .

Se han desarrollado algunos programas de computacin a fin de proporcionar una

evaluacin preliminar acerca de la viabilidad tcnica y econmica de la digestin anaerobia

del estircol animal, los desechos y las aguas residuales industriales, los desechos

municipales slidos o de combinaciones (co- digestin). Los programas son completamente

interactivos, permitiendo la seleccin de varios tipos de biodigestores y materias primas.

Bibliografa

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GTZ pectoral Project "Promotion of anaerobic technology for the treatment of

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Gustavsson, L., P. Brjesson, B. Johansson and P. Svenningsson (1995). "Reducing

CO2 Emissions by Substituting Biomass for Fossil Fuels." Energy 20(11): 1097-1113.

Autores:

Carlos Luis Urbez Mndez

Leila Carballo Abreu

leilar[arroba]af.upr.edu.cu

Yasiel Arteaga Crespo

Francisco Mrquez Montesino

Universidad de Pinar del Ro

"Hermanos Saz Montes de Oca"

Facultad de Forestal y Agronoma

Departamento de Qumica