Taller – Biodigestores y Biogas

Paraguay21/06/2012

Pilar.Roman@fao.org

Índice -Ronda de experiencias

-Introducción al Biogas

-Tipos de biodigestores: Características y limitantes

-Estudios de caso

• La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o sus precursores (e.g. H2O2). Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos, residuos vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos útiles. En la digestión anaerobia más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aeróbico.

• En la digestión anaeróbica, los microorganismos metanogénicos desempeñan la función de enzimas respiratorios y, junto con las bacterias no metanogénicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relación con las cadenas enzimáticas de células aeróbicas. De esta forma, los residuos orgánicos se transforman completamente en biogás que abandona el sistema. Sin embargo, el biogás generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo.

Proceso Anaeróbico

Etapas de la fermentación metanogénica

• 1. Hidrólisis• 2. Etapa fermentativa o acidogénica• 3. Etapa acetogénica• 4. Etapa metanogénica

La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, carbohidratos y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidogénicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles más sencillos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga) que serán metabolizados por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono, mediante la acción de los microorganismos acetogénicos. Por último, los microorganismos metanogénicos producen metano a partir de ácido acético, H2 y CO

Biogas

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para: • - Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt. • - Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora. • - Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos. • - Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas.

Biodigestor - Aplicaciones

A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, y para calefacción. También ayuda a la transformación de los desechos.

– Mejora de la capacidad fertilizante del estiércol– Control de patógenos– Control de olores– El efluente se puede usar como alimento en

lombricultura

Biodigestor - Parámetros

Considerando que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, por ello es necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. Los principales parámetros en la producción del biogas son:

– Temperatura– Tiempo de retención– Relación Carbono/Nitrógeno– pH– Agitación

Materias primas que se pueden usar en la fermentación metanogénica

Clasificación de los sustratos para digestión anaeróbica

Tipo de biodigestores

Componentes de un digestor:• Reactor o contenedor de las materias primas a

digerir• Contenedor de gas, con los accesorios para salida de

biogás, • Entrada o carga de materias orgánicas primas• Salida o descarga de materias orgánicas

estabilizadas.

Biodigestor - Características

Para una buena operación:

– Hermético, para evitar fugas de gas.– Térmicamente aislado, para evitar cambios

bruscos de temperatura– Acceso para mantenimiento– Debe tener un medio para romper las natas que

se forman

Biodigestores en el medio ruralClasificación según su alimentación o carga en los siguientes tipos:a) Continuos: Cuando la alimentación del digestor es un proceso ininterrumpido, el efluente que descarga es igual al afluente

o material de carga (que entra al digestor), con producciones de biogás, uniformes en el tiempo. Son utilizados principalmente para el tratamiento de aguas negras. Corresponde a plantas de gran capacidad, tipo industrial.

b) Semi continuos: Cuando la primera carga que se introduce al digestor consta de una gran cantidad de materias primas .

Posteriormente, se agregan volúmenes de nuevas cargas de materias primas (afluente), calculados en función del tiempo de retención hidráulico (TRH) y del volumen total del digestor. Se descarga el efluente regularmente en la misma cantidad del afluente que se incorporó. Este proceso es usado en el medio rural, cuando se trata de sistemas pequeños para uso doméstico. Los diseños más populares son el digestor Indiano y Chino.

c) Discontinuos o régimen estacionario: Los digestores se cargan con las materias primas en una sola carga o lote. Después de un cierto período de

fermentación, cuando el contenido de materias primas disminuye y el rendimiento de biogás decae a un bajo nivel, se vacían los digestores por completo y se alimentan de nuevo dando inicio a un nuevo proceso de fermentación. Esto se conoce también como digestores Batch o Batelada.

Modelo chino

0.15-0.20 v/v (gas/digestor) por dia

Poco eficiente para generar biogasUsado para producir bioabono

30-60 dias de retención

Modelo indiano

0.50-1 v/v (gas/digestor) por dia

15-25 dias de retención

Buena eficiencia en producción de biogas

Biodigestor de polietileno

Material DescripciónFilm negro UV 300 micr Polietileno UV que servirá para hacer el

biodigestor

Film traslúcido UV 300 micr Polietileno UV que servirá para hacer el invernadero

Tubería PEAD Tubería para hacer la conexión de gas

Codos Para empalme de las conexiones

Te Conexión para la distribución del biogas

Llave bola Conexión para controlar la salida del gas

Copla Para empalme entre tubos

Tubo 16 cm Conexión para la salida del biogas en la cocina

Herramientas: Flexo 5mCinta americana adhesivaGomas (3 neumáticos por digestor)Alambre/cordelAlicatesSelladora manualEstropajo de aceroTeflónTijerasClavos

Criterios a tener en cuentaa) Inversión que se está dispuesto a realizar.

b) Energía que se quiere obtener.

c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor.

d) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel freático o mantos rocosos.

e) El tamaño requerido del digestor

Elección del sitio para el biodigestor

a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras y las presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30 metros.

b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar el acarreo que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del biodigestor, e implicara mayores costos.

c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo.

d) Debe estar a por lo menos 10 – 15 metros de cualquier fuente de agua para evitar posibles contaminaciones.

e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de energía solar

Relacionadas con el medio ambiente Asociado con el bienestar familiar

-Reducción de la producción de gas metano. El excremento en estado natural expulsa grandes cantidades al espacio de este gas, que es uno de los más perjudiciales para la capa de ozono.

-Evita los malos olores entre el 90 y 100%.

- Se evita la contaminación de suelos y agua. Los excrementos constituyen uno de los elementos más contaminantes de nuestro medio ambiente.

- Se evita la tala de árboles para ser utilizados como combustible. Los biodigestores son una de las grandes posibilidades para evitar la tala desmedida. La producción de fertilizante orgánico; es una opción para cambiar la agricultura tradicional por una orgánica, el afluente del biodigestor es una excelente alternativa.

-No se produce humo; este es uno de los males que afectan la salud de las mujeres del campo.

-Permite un manejo adecuado de los desechos.

- No se da la proliferación de insectos.

-Se evita el hollín de los trastos, techo y toda la casa, cuando se cocina con leña es inevitable, la familia tiene que construir una cocina aparte de la casa para evitar los efectos del humo. Además, debe invertir para la reposición de trastos y techo para su casa, lo que se traduce en un gasto económico.

-La búsqueda de leña se reduce, por tanto se aminora o se suprime este trabajo en mujeres y niños.

-No hay peligro de explosiones, el cilindro de gas tradicional siempre es un peligro constante; el biodigestor nunca podrá ser una amenaza dentro de una casa.

-Mejora la economía familiar.

-Es muy rápido para cocinar. Este gas tiene una llama azul con una alta concentración de calor, lo que facilita una cocción rápida.

-El fuego del biodigestor se prende solo cuando se requiere de el. En el caso de cocinas con leña, ésta debe estar todo el día prendida y supone peligros.

-Cualquier miembro de la familia puede colaborar en la preparación de los alimentos por las ventajas que tiene el gas del biodigestor en la casa.

-Las reparaciones del biodigestor son sencillas. Cuando se tiene un conocimiento mínimo de cómo manejarlo, se puede realizar sin problemas.

-Es una inversión de bajo costo para la familia; muchos materiales los puede obtener de su finca y gran parte de la mano de obra la aporta la familia y el técnico sólo debe ofrecer la asesoría.

-Es una inversión para muchos años. Según datos, los materiales utilizados en la construcción del biodigestor, dependiendo del tipo de sistema, garantizan que será una actividad que dura desde 2 años en el caso de polietileno, hasta 30 años y más en construcciones de material noble.

-El mantenimiento es de bajo costo. En lo que puede tener problemas es con el plástico y éste se puede cambiar o reparar sin mucha inversión de dinero.

Cálculo según necesidad energética

• Familia de 4 personas: Se tiene una cocina de dos fogones, cada fogón consume 75 l/hr. La cocina se usa 3 horas al día con ambos fogones.

¿Qué cantidad de biogas se consumiría al día?

75l/h x 2fogones x 3horas= 450 litros biogasO lo que es lo mismo:0,45 m3 de biogas0,54 kg de biogas

Animal kg estiercol/dia Biogasm3/dia Estiercol:agua

Vaca 15 0.6 1:1

Cerdo 2,5 0,13 1.3

Gallina 0.2 0,01 1.3

Cálculo según materia prima

Productor con 5 bovinos y 5 cerdos ¿Qué cantidad de biogas produciría al día y qué volumen de digestor necesitaría?.

Producción de Biogas: (5 vacas x 0,6m3) + (5 cerdos x 0,13m3) = 3.65 m3

Volúmen digestor: Kg estiercol+litros aguaBovino: 75 + 75 ------ Cerdo: 12.5+ 37,5 ------ total: 200 litros diaTotal dias 35: 200 x 35 = 7000 m3Volúmen digestor: 7m3

A tener en cuenta: 400-600 litros (0.4-0.6 m3) biogas por kg de materia orgánica