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Centro Universitario Vladimir Illich Lenin
Facultad de Ciencias Técnicas
Departamento de Ingeniería Industrial
Trabajo de Diploma
Título: Producción de biogás a partir de los residuales orgánicos
vacuno de la Vaquería 17 Maniabo de la provincia Las Tunas.
Autor: Yaniel Sánchez Rivero
Tutor: Pedro Remedios Castañeda.
Alberto Clemente Fernández
Curso 2008-2009
“Año del 50 aniversario del triunfo de la Revolución”
Pensamiento
»...el empleo de la energía renovable confirma cada vez más sus
extraordinarias potencialidades y la variedad en la obtención, desde el
bagazo, que es la mayor posibilidad identificada actualmente, hasta el
aprovechamiento de residuos y el empleo de otras fuentes».
Fidel Castro Ruz
Dedicatoria
A mi madre por su infinito amor y paciencia.
A mi padre por ser mi ejemplo para seguir adelante.
A mi hermana por sus sabios consejos.
Agradecimientos
En mi primer lugar a mi familia no solo por el apoyo material sino
también por todos los buenos momentos.
A todos mis amigos que se preocupan por mí.
A mis tutores Pedro Remedios y Alberto Clemente por dedicarme
parte de su valioso tiempo.
A todos los profesores que me instruyeron y me educaron.
Resumen Esta investigación se lleva a cabo como necesidad de disminuir el consumo de
combustibles fósiles en la provincia, utilizando el residual procedente de la actividad
ganadera para generar biogás y disminuir la carga contaminante al medio ambiente.
Se determina la cantidad de residual potencialmente disponible en la Vaquería 17 de la
UBPC Maniabo para producir biogás en un digestor de cúpula fija. También se realiza el
cálculo de la cantidad de biogás potencialmente generable, utilizando la tecnología
anteriormente mencionada.
Se presenta además el diseño y construcción de un aparto para cuantificar el biogás
producido por la digestión anaerobia de excretas vacunas u otros residuales orgánicos;
con dicho aparato es posible determinar la calidad del biogás producido,
específicamente el contenido de metano.
Abstract This research emerges as a need to reduce fossil fuel consumption in the province,
using the waste from livestock to generate biogas and reduce the pollutant load to the
environment.
Is determined the residual amount potentially available in the Dairy Farm 17 belonging to
UBPC Maniabo to produce biogas in a fixed dome digester. There is also calculated the
amount of biogas potentially generated, using the technology mentioned above.
It is also presented the design and construction of a device for measuring the biogas
produced by anaerobic digestion from cow manure and other organic waste, with the
device can be determined the quality of biogas produced, specifically the methane
concentration.
Índice
Introducción...................................................................................................................... 1
Capitulo 1 Análisis bibliográfico........................................................................................ 5
1.1 Historia de la tecnología de la digestión anaerobia ................................................ 5
1.2 Estado actual de la tecnología................................................................................ 6
1.3 Importancia ecológica del tratamiento de los residuales vacunos .......................... 9
1.4 Microbiología y Bioquímica de la digestión anaerobia para producir biogás......... 11
1.5 Rendimiento teórico y real de biogás de diferentes residuales orgánicos ............ 13
1.6 Determinación a nivel de laboratorio de la producción de biogás......................... 15
1.7 Plantas tradicionales para producir biogás ........................................................... 16
1.8 Factores que afectan la fermentación a biogás .................................................... 18
1.9 Política Provincial con respecto al biogás............................................................. 20
Capitulo2 Evaluación de la producción de biogás en la Vaquería 17 de Maniabo de la
provincia Las Tunas ....................................................................................................... 24
2.1 Determinación de la cantidad de excretas vacunas disponibles........................... 24
2.2 Cálculo de la producción de biogás ...................................................................... 25
2.3 Diseño de un gasómetro....................................................................................... 26
Conclusiones.................................................................................................................. 31
Recomendaciones.......................................................................................................... 32
Bibliografía ..................................................................................................................... 33
Anexos ........................................................................................................................... 36
1
Introducción
En la actualidad con el incremento de la población mundial la necesidad de alimentar a
miles de millones de personas constituye un verdadero reto. Para tratar de suplir esta
necesidad básica se ha intensificado a nivel global la actividad ganadera por ejemplo en
el 2005 aumentó la producción de leche en casi un 7 % con respecto a 1999 y con ello
la población bovina en el planeta experimentó un crecimiento considerable. Pero este
problema es tan solo es una cara de la moneda. Los residuos liberados por la industria
ganadera no solo afectan los ecosistemas sino también las aguas, los nitratos de
nitrógeno del estiércol que penetran el suelo alcanzan las aguas subterráneas y esto
puede ocasionar severos daños al sistema nervioso, provocar cáncer y
metahemoglobinemia o síndrome de bebe triste, una mortal enfermedad que ataca a los
lactantes. Estos residuos también agreden al medio ambiente, cada año se liberan entre
590 y 880 millones de toneladas de metano a la atmósfera, uno de los gases
responsables del efecto invernadero y por tanto del cambio climático, cerca del 90% de
este gas emitido proviene de la descomposición de biomasa.
Esta problemática ha repercutido en el ámbito internacional. A partir de la Conferencia
de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente celebrada en Estocolmo en 1972 ha
crecido la conciencia sobre el deterioro del medio ambiente y sus consecuencias. Más
tarde en 1987 la Comisión Brundtland presentó un informe en el que introdujo el término
“desarrollo sostenible”.
El estiércol y los residuales líquidos que se acumulan en las instalaciones ganaderas
pueden llegar constituir valiosos recursos para aumentar la fertilidad de los suelos y
producir energía renovable con el biogás a partir de la fermentación anaeróbica, estos
volúmenes suelen ser considerables por ejemplo (Instituto de Ciencia Animal, 2006)
plantea que en Cuba en vaquerías típicas y unidades experimentales se han
cuantificado cerca de 380 T en las unidades con 120 vacas y cerca de 920 T en las
unidades con 288 animales.
La tecnología del biogás puede ser una vía de solución para el tratamiento del residuo
proveniente de la actividad ganadera, esto se debe a que se adapta a las exigencias
2
ecológicas y económicas del futuro, por lo que se le considera una tecnología de
avanzada. Esta permite tratar totalmente los desechos orgánicos o residuales
contaminantes, por lo que se elimina su efecto perjudicial para la salud, los malos olores
y la contaminación del entorno además posibilita aprovechar el biogás producido para
suplir las necesidades energéticas en la cocción de alimentos, en el hogar o en
comedores, y eliminar así el empleo de kerosene (luz brillante), petróleo, y otros.
Esta tecnología ha evolucionado en muchos países, tanto desarrollados como en vías
de desarrollo. China y la India son los países que están a la vanguardia en Asia. Para
que se tenga una idea en China hay más de 8 millones obras de escala familiar, 2500
obras de gran dimensión suministran el gas para más de 50 millones de personas, en
este gigante asiático se producen cada año más de 3 mil millones de m3 de gas. Otros
países en la vanguardia del desarrollo de dicha tecnología son: Nepal, Holanda,
Filipinas, Alemania y por último pero no menos importante Vietnam quien asesora a
Cuba en la construcción de biodigestores. Por otro lado en el continente
latinoamericano se ha desarrollado tecnología propia en la Argentina para el tratamiento
de vinazas y de residuos provenientes de la industrialización de la caña de azúcar. En
Brasil y Colombia se encuentran utilizando sistemas europeos bajo licencia.
En Cuba, los primeros intentos desarrollados se realizaron a inicios de la década de los
ochenta, mediante la instalación de cientos de pequeños digestores de excreta en
vaquerías, para posibilitar el alumbrado en aquellos sitios donde no se contaba con fluido
eléctrico. En esos mismos años, se construyeron los primeros digestores para
comedores obreros, que empleaban cachaza como materia orgánica, con lo cual se
demostró la viabilidad de este proceso para las condiciones del país.
En la actualidad están instalados alrededor de 700 biodigestores tradicionales de los
cuales se encuentran funcionando solamente un 50%. Por ejemplo el Ministerio del
Interior en Camagüey cuenta con una planta próxima a cumplir los 15 años de
explotación que permite, entre otros usos, la elaboración de alimentos a unas 2 mil 500
personas diariamente con el empleo exclusivo del biogás. También está en
funcionamiento una de las mayores plantas de biogás de Cuba y de toda América
Latina localizada en la capital cubana, esta instalación se dedica a la producción de
gas metano a partir del 80% de toda la basura que se genera en toda La Habana.
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En el documento emitido por el CITMA en la provincia de Las Tunas el 31 de marzo de
2009 se plantea que el consumo energético de la provincia considerando todas las
formas de energía es de 355 282.82 Toneladas de Combustible Convencional al año
(TCC/Año). Las fuentes renovables de energía representan un 26.7 % del consumo
energético total, de ellas sólo 18.3 toneladas corresponden al biogás y por ende el
territorio concentra sus esfuerzos en producir energía a partir de la biomasa
específicamente de la excreta animal dado que cuenta con potencialidades para llevar a
cabo dicha tarea. Este organismo pretende iniciar el Proyecto Biomas-Cuba en la
Vaquería 17 de la UBPC Maniabo en respuesta a la necesidad de buscar fuentes
renovables de energía debido a la crisis energética que enfrenta el país, por otro lado
persiste el problema que representa la gran acumulación de residuos procedentes de la
actividad ganadera para el medio ambiente y para los trabajadores de dicha instalación
requiriendo de un trabajo adicional para su transportación. Es necesario señalar que
este Proyecto no dispone prácticamente de equipos de medición para ajustar
parámetros e incrementar la eficiencia. Esta situación problémica conduce a plantear
como problema científico: ¿Cuáles son las potencialidades de producción de gas
combustible a partir de la biomasa residual (excretas) de la Vaquería 17 de Maniabo
que posibiliten su tratamiento eficiente?, teniendo como objeto: La producción de
energía a partir de la biomasa.
Para llevar a cabo la presente investigación se define como objetivo general: Evaluar
los rendimientos de producción de biogás por Kg. de sólidos volátiles en digestión
anaerobia no controlada de las excretas vacunas en el contexto actual de la producción
ganadera en la Vaquería 17 de Maniabo de la provincia Las Tunas.
Este objetivo se desdobla en los siguientes objetivos específicos:
1. Diagnóstico de la producción de materia orgánica.
• Análisis preliminar de las posibilidades de la producción de biogás en la
Vaquería 17 de Maniabo.
Disponibilidad de materia orgánica
Producción esperada de combustible
Usos posibles del combustible
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2. Estudiar los rendimientos de producción de biogás por Kg. y por Kg. de sólidos
volátiles en digestión anaerobia no controlada de las excretas la Vaquería 17
Maniabo de la provincia Las Tunas.
3. Diseñar y construir un equipo para cuantificar la producción de biogás a partir de
las excretas vacunas disponibles en la Vaquería 17 de Maniabo.
Se define como campo de acción donde se desarrolla la investigación: La producción de
biogás a partir de excretas vacunas.
Se establece como hipótesis: Si se cuenta con datos precisos sobre las
potencialidades de producción de gas combustible a partir de la biomasa residual
(excretas) de la Vaquería 17 de Maniabo de la provincia Las Tunas sería posible
realizar un tratamiento eficiente de residuales, permitiendo la utilización del gas
combustible y la disminución del impacto ambiental.
Métodos empleados en la investigación.
En el nivel teórico: histórico-lógico, hipotético-deductivo, así como el análisis y síntesis de
la información.
En el nivel empírico: observación directa, entrevista, análisis documental y el método
experimental.
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Capitulo 1 Análisis bibliográfico
1.1 Historia de la tecnología de la digestión anaerobia La degradación anaeróbica de la materia orgánica según (Hilbert, 2006) es un proceso
que ocurre en forma espontánea en la naturaleza y forma parte de los ciclos biológicos
de los elementos químicos en la biosfera. Producto a esa actividad de naturaleza
microbiana se forma el denominado "gas de los pantanos" que brota en aguas
estancadas, ciénagas y pantanos; el gas natural (metano) de los yacimientos
petrolíferos, así como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes. En todos
estos procesos intervienen las denominadas bacterias metanogénicas.
Las primeras personas que descubrieron el tipo de gas inflamable generado por la
putrefacción de los materiales orgánicos son Van Helmont en 1630 y Shirley en 1667. El
que descubrió el gas de los pantanos fue Alexandrer Volta en 1766. A través de los
estudios y observaciones, dio el resultado de que la cantidad de gas generado de los
pantanos depende estrictamente en la cantidad de plantas podridas en el fondo. Entre
1804 y 1810, Dalton, Henry y Davy encontraron la fórmula química del metano y
demostraron que la naturaleza del gas de pantanos en el experimento de Volta es
idéntica al gas en las minas de carbón.
En 1890 se construye el primer biodigestor de gran escala en la India para recuperar
gas combustible de residuales humanos y ya en 1896 en Exeter, Inglaterra, las
lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los
digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad.
Tras la Primera Guerra Mundial comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas
productoras de biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la
época. En todo el mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el
tratamiento de aguas cloacales colectivas. El gas producido se utilizó para el
funcionamiento de las propias plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades
se lo llegó a inyectar en la red de gas comunal.
Durante los años de la segunda guerra mundial comienza la difusión de los
biodigestores a nivel rural tanto en Europa como en China e India que se transforman
en líderes en la materia.
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Esta difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los combustibles fósiles y en la
crisis energética de la década del 70 se reinicia con gran ímpetu la investigación y
extensión en todo el mundo incluyendo la mayoría de los países latinoamericanos.
Los últimos 30 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre el
funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico gracias al nuevo material de
laboratorio que permitió el estudio de los microorganismos intervinientes en condiciones
anaeróbicas (ausencia de oxígeno).
Estos progresos en la comprensión del proceso microbiológico han estado
acompañados por importantes logros de la investigación aplicada obteniéndose grandes
avances en el campo tecnológico. Los países generadores de tecnología más
importantes son China, India, Holanda, Francia, Gran Bretaña, Suiza, Italia, EE UU,
Filipinas y Alemania.
El biogás es una mezcla constituida por metano en una proporción que oscila entre un
50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros
gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno.
1.2 Estado actual de la tecnología
Las plantas de tratamiento anaerobio de desechos industriales, han tenido una
importante evolución en los últimos años y habiendo superado una primera etapa a
nivel piloto, en Europa y China, se encuentran actualmente siendo difundidas para
determinados fines en combinación con tratamientos aeróbicos convencionales.
Estos reactores anaeróbicos son de enormes dimensiones (más de 1.000 m3 de
capacidad), trabajan a temperaturas mesofílicas (20ºC a 40ºC), o termofílicas (más de
40ºC) poseen sofisticados sistemas de control y están generalmente conectados a
equipos de cogeneración que brindan como productos finales; calor, electricidad y un
efluente sólido de alto contenido proteico, para usarse como fertilizante o alimento de
animales.
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A nivel latinoamericano se ha desarrollado tecnología propia en la Argentina para el
tratamiento de vinazas, residuo de la industrialización de la caña de azúcar. En Brasil y
Colombia se encuentran utilizando sistemas europeos bajo licencia.
El número de reactores de este tipo aún no es importante en el mundo (ej.: 130 en la
Comunidad Económica Europea) pero los continuos descubrimientos, reducciones de
costos y mejoramiento de la confiabilidad hacen suponer un amplio campo de desarrollo
en el futuro.
Por otro lado la tecnología ha estado dirigida al desarrollo de digestores de mínimo
costo y mantenimiento, fáciles de operar pero con eficiencias pobres y bajos niveles de
producción de energía.
Ambos tipos de digestores se encuentran hoy día en continua difusión. Los reactores
sencillos han tenido una amplia aceptación en China, India, Filipinas y Brasil; debido a
que en estos países se ejecutan importantes planes gubernamentales que impulsan y
apoyan con asistencia técnica y financiera su empleo. En el resto de los países del
mundo la difusión alcanzada por este tipo de digestores no ha sido significativa.
Con respecto a los digestores de alta eficiencia la mayoría se encuentran instalados en
Europa (se estima un total de 500 digestores en los países de la C.E.E.); en el resto del
mundo no se ha superado aún la etapa de unidades demostrativas o emprendimientos
particulares aislados.
La tecnología de biogás se ha desarrollado en muchos países, tanto desarrollados
como en vías de desarrollo. China y la India son los países que están en primer grado
de desarrollo de esta tecnología en Asia. Hasta el presente, en China hay más de 8
millones obras de escala familiar, 2500 obras de gran dimensión, suministran el gas
para más de 50 millones de personas. Cada año China produce más de 3 mil millones
de m3 de gas. La tecnología de biogás para la producción de electricidad también tiene
determinado éxito con la productividad de 866kW hasta 2001. Además, China produce
para el comercio un fertilizante a partir del lodo de los estanques de descomposición a
medida de 24900 tonelada/año y más de 700 toneladas de alimentos subsidiarios para
ganado.
En la India, hay más de 3 millones de obras en funcionamiento, producen una cantidad
de gas más o menos igual que China. Estos dos países han invertido mucho en la
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investigación y aprovechamiento de biogás. Los sectores que aprovechan el biogás han
obtenido ciertos éxitos como en: cocina, iluminado, generación de electricidad,
calefacción…
Las plantas utilizadas ampliamente en China e India son de cubierta fija, equipo de
cubierto flotante con junta y los equipos de alta productividad son utilizadas para aguas
residuales domésticos e industriales.
Junto con China e India, Nepal es otro país con un amplio programa de desarrollo de
biogás. Hasta 2002, la cantidad de plantas instaladas en Nepal es 54.000 (en 64
distritos), con 50 empresas de biogás.
Campos de la digestión anaerobia en la actualidad.
Hoy en día, el proceso de digestión anaerobia de los materiales orgánicos en
biodigestores se ha desarrollado como un sistema multifuncional para:
- Tratamiento de residuos orgánicos y agua residual con gran cantidad de contenido
orgánico.
- Producción de biogás y su aprovechamiento como combustible.
- Mejorar la condición higiénica.
- Producción de fertilizante de alta calidad.
El desarrollo de tecnología de biogás en Vietnam.
El desarrollo de la tecnología de la digestión anaerobia en Vietnam es de interés en esta
investigación debido a que dicho país asesora directamente a Cuba en la ejecución del
Proyecto Biomas-Cuba.
La tecnología de biogás ha sido investigada y aplicada en Vietnam desde los años 60 del
siglo XX. Sin embargo, por causas técnicas y administrativas, las obras no obtuvieron los
resultados esperados y después de un tiempo fueron abandonadas. Después de 1975,
las energías nuevas y de regeneración en general, incluyendo el biogás son reatendidas.
En los planes quinquenales consecutivos de 1981-1985, 1986-1990 la tecnología de
biogás se ha convertido en un sector de prioridad en el programa de investigación a nivel
nacional sobre la nueva energía.
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Las investigaciones efectuadas con éxito son: plantas de biogás con cubierto flotante de
hierro, estanque de descomposición de ladrillo y estanque con junta para agua y equipo
con tapa fija de ladrillo, estas investigaciones son apoyadas por el Instituto de Energía
(IE), además se desarrollan plantas con cubierta fija de cemento con red de hierro, este
proyecto es patrocinado por la Universidad de Can Tho. Junto a los estudios sobre la
tecnología, se han llevado a cabo actividades de evaluación de las potencialidades y
división de zonas para la aplicación de biogás en todo el país.
El marzo de 1989, Vietnam organizó el primer Seminario Nacional sobre biogás con la
participación de todas las personas relacionadas con el sector (investigadores y
aplicadores) Este seminario ha marcado un paso de desarrollo de la tecnología de
biogás.
En 1996, el Programa Nacional de agua limpia e higiene ambiental desarrolla proyectos
relacionados con el biogás a través de centros de consultoría y de apoyo al desarrollo
rural (Asociación de construcción).
Hasta la actualidad hay 50.000 plantas de biogás en todo el país, entre ellos más de
20.000 son de bolsas de nylon, del resto, el equipamiento con tapa fija ocupa 70% y el
de tapa flotante de cemento ocupa el 30%.
En el presente, el Departamento de Agricultura del Ministerio de Agricultura y Desarrollo
Rural trabaja con la Agencia de Desarrollo de Holanda (SNV) del Ministerio de
Cooperación y Desarrollo de Holanda en la ejecución de un proyecto de apoyo al
programa de biogás para el sector de ganadería en varias provincias de Vietnam con el
financiamiento del Ministerio holandés. Dentro del proyecto, se ha construido 12000
equipamientos de biogás familiar en las zonas Norte, Centro y Sur. En la segunda fase
del proyecto, está programado construir 180.000 obras más en todo el país.
1.3 Importancia ecológica del tratamiento de los residuales vacunos
El tratamiento de los residuos ganaderos cada día reviste más importancia dada la
dimensión del problema que representa, no sólo por el aumento de los volúmenes
producidos, generado a su vez por una mayor intensificación de las producciones, sino
también por la aparición de nuevos productos y principalmente por enfermedades que
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afectan la salud humana y animal que tienen directa relación con el manejo inadecuado
de los desechos orgánicos.
Cada año producto de la actividad microbiana se liberan entre 590 y 880 millones de
toneladas de metano a la atmósfera, (López, 2003) comenta que cerca del 90% del
metano emitido proviene de la descomposición de biomasa. El resto es de origen fósil, o
sea relacionado con procesos petroquímicos. En el hemisferio norte la concentración de
metano en la atmósfera es cerca de 1.65 partes por millón.
También el manejo del estiércol del ganado produce emisiones de metano y de óxido
nitroso. El metano se produce mediante la descomposición anaeróbica del estiércol,
mientras que el óxido nitroso se forma como parte del ciclo del nitrógeno, a través de la
denitrificación del nitrógeno orgánico presente en el estiércol y en la orina del ganado.
(Berra, 2000) plantea que cuando el estiércol se dispone en sistemas que promueven
las condiciones anaeróbicas (por ejemplo, en forma líquida en lagunas, tanques o
fosas), la descomposición de la materia tiende a producir metano. Cuando el estiércol
se maneja en forma sólida (por ejemplo, almacenamiento en pilas) o queda depositado
sobre las pasturas y los campos naturales, tiende a descomponerse aeróbicamente y
produce muy poco o nada de metano. Por su parte (Fonte, 2006) también afirma que
cuando se produce la fermentación anaerobia de manera natural, al descomponerse la
materia orgánica y producirse biogás, tiene lugar la incorporación a la atmósfera de un
mayor porcentaje de metano (superior al necesario para el equilibrio natural), que junto
con el dióxido de carbono incrementan el sobrecalentamiento de la atmósfera y, por
ende, afectan a la largo plazo el clima en el planeta.
Aunque ambos gases conforman la lista del conjunto de los denominados gases de
efecto invernadero, es preferible recuperar el metano y combustionarlo para obtener un
efecto útil como portador energético, en lugar de dejarlo escapar a la atmósfera y
contribuir al calentamiento global de la Tierra. Este tratamiento garantiza la eliminación
de por lo menos el 85% de los elementos patógenos en las excretas.
Esta problemática ha repercutido en el ámbito internacional. A partir de la Conferencia de
las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente celebrada en Estocolmo en 1972 ha
crecido la conciencia sobre el deterioro del medio ambiente y sus consecuencias. Más
tarde en 1987 la Comisión Brundtland presentó un informe en el que introdujo el término
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“desarrollo sostenible”, dicho concepto ha devenido en una importante estrategia
empresarial a nivel internacional y se define como la satisfacción de las necesidades del
presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus
propias necesidades.
1.4 Microbiología y Bioquímica de la digestión anaerobia para producir biogás
Las etapas de la fermentación a biogás.
La fermentación a biogás plantea (Hoan, 2008) es un proceso complejo de tres etapas
principales completado por muchos microorganismos. El producto final de este proceso
es una mezcla de gases de la cual el metano (CH4) es el mayor componente.
1-Hidrólisis.
En esta etapa, la Hydrolaza, enzima producida por bacterias fermentativas, hidroliza
estructuras orgánicas insolubles en otras más simples y solubles. Por ejemplo: celulosa,
polisacarinas, materias grasas se hidrolizan en monosacarina péptida, glicerina, ácidos
grasos, aminoácidos solubles. Así, los polímeros se transforman en monómeros, y
después se fermentan a intermediarios, principalmente acetato, propionato y butirato.
2-Producción de ácidos.
Con la actividad de bacterias, ácidos grasos y aminoácidos aromáticos producidos en la
primera fase se fermentan a ácidos orgánicos de menores pesos moleculares como
ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico; aldehícos, alcoholes y gases como
nitrógeno, hidrógeno, carbono y amoniaco.
Ambas etapas de hidrólisis y producción de ácidos no necesitan bio-oxígeno (BOD).
Con los ácidos producidos en esta segunda sección, el nivel de pH desciende
notablemente.
3-Producción de metano.
Esta es la sección más importante de todo el proceso, en la cual por efectos de
bacterias metanogénicas, los ácidos orgánicos y otros compuestos simples, incluidos
ácido acético, ácido fórmico, hidrocarburo, se convierten en gases metano, carbónico,
oxígeno, nitrógeno, hidrosulfuro, ...etc.
La producción de metano pueden efectuarse por dos caminos: (1) el grupo metílico de
ácido acético se fermenta directamente a metano, y el grupo carboxílico, se transforma
primero en carbón dióxido, y después en metano.
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(2) O en condiciones anaeróbicas el dióxido de carbono, metanol o acetato se
convierten en CH3 y XH y continúan transformándose después en metano, según este
modelo:
Muchas bacterias de diferentes tipos participan en la fermentación a biogás, a las
cuales se pueden dividir en cuatro grupos principales: (a) bacterias fermentativas
hidrolizantes, (b) bacterias acetogénicas y productoras de hidrógeno, (c) bacterias
monoacetogénicas y (d) bacterias metanogénicas. Los tres primeros grupos son de
bacterias no productoras de metano y tienen un ritmo de crecimiento muy veloz. El
último es de bacterias que producen metano y crecen más lento (se duplican entre 4 y 6
días).
Relaciones entre las etapas de la fermentación.
En realidad, estas tres secciones suceden paralela y coherentemente. Productos de la
sección precedente sirven de sustratos de la sucesiva. Si por algún motivo las
secciones no se combinan, el equilibrio dinámico del proceso se rompe y la
productividad será disminuida.
Otra hipótesis se divide la descomposición a biogás en dos fases:
Fase de ácidos: Incluye las secciones 1 y 2, produce ácidos orgánicos simples:
Sustancia de moléculas convenientes al
gran peso molecular. enzima uso y a la construcción de celulares
Sustancias producidas sustancias con menor peso molecular
en primera fase. como ácidos, H2CO2, CH3OH....
Este paso se efectúa por bacterias que producen ácidos (Acedogensz); estos
organismos unicelulares son parcialmente anaeróbios y crecen rápido.
Acedógenos
Hidrólisis
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Fase de metano: Equivale a la sección 3. Esta fase es el resultado de actividades de
bacterias metanogénicas que tienen característica anaeróbica y un lento crecimiento.
Las fases suceden en diferentes velocidades. Si se sobreproducen ácidos en la primera
fase y las bacterias metanogénicas de la segunda no los conciben completamente, la
acidez del ambiente atrasará el proceso, y si es muy alta, anulará la fermentación.
1.5 Rendimiento teórico y real de biogás de diferentes residuales orgánicos
Rendimiento teórico de biogás de diferentes materiales de fermentación.
Los materiales para la fermentación a biogás son compuestos orgánicos con diferentes
componentes y disímiles características y productividades. La relación entre los
compuestos orgánicos de materiales de la descomposición y su productividad es un
factor importante para determinar el rendimiento de biogás del proceso.
La fórmula del rendimiento teórico (Hoan, 2008) se escribe como sigue (fórmula
Buswell):
CnHaOb + (n – a/4 – b/2) H2O = (n/2 – a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 + b/4) CH4 (1)
Donde:
n – número de átomos de carbono en una molécula de la sustancia orgánica.
a – número de átomos de hidrógeno en una molécula de la sustancia orgánica.
b – número de átomos de oxígeno en una molécula de la sustancia orgánica.
Si el peso molecular del compuesto orgánico está determinado, no es difícil calcular la
cantidad de dióxido de carbono a través de la fórmula Buswell. En realidad, los
materiales utilizados en escala familiar son estiércol humano o de animal y residuos
agrícolas cuyos rendimientos pueden ser calculados por la referida fórmula. La Tabla No1 muestra los rendimientos teóricos de biogás de compuestos orgánicos más
populares.
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Tabla #1 Rendimiento teórico de algunos compuestos orgánicos
(Calculado por gramos de material seco)
No CH4 CO2
1 Carbonohidrato 0,37 0,37
2 Proteínas 0,49 0,49
3 Lípidos 1,04 0,36
Aunque los materiales para la fermentación son muy diversos (Anexo #1), sus
principales componentes normalmente son: carbono hidratado, proteína y lípido. Por
esta razón, la fórmula aplicada para el cálculo del rendimiento teórico es la siguiente:
E = 0,37 A + 0,49 B + 1,04C (2)
Donde:
E = rendimiento teórico de metano producido de un gramo del material de
descomposición.
A = cantidad de carbono hidratado que contiene un gramo del material de fermentación
(g)
B = cantidad de proteína que contiene un gramo del material de fermentación (g)
C = cantidad de lípido que contiene un gramo del material de descomposición (g)
y: D = 0,37A + 0, 49B + 0,36C (3)
Donde:
D = rendimiento teórico de CO2 producido de un gramo de material.
A, B, C = mismos elementos de la fórmula (2)
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Rendimiento real.
El rendimiento real es más bajo que los resultados teóricos por un hecho de que la
fermentación sufre muchos efectos de factores ambientales. Sin embargo, ciertos
resultados de experimentos realizados en laboratorios también muestran rendimientos
reales de algunas fuentes de descomposición (Anexo #2).
1.6 Determinación a nivel de laboratorio de la producción de biogás
Actualmente la tecnología de grandes y sofisticados digestores para la producción de
biogás se ha desarrollado con la generación simultánea de poderosos y sensibles
equipamientos que son capaces de determinar en cada segundo todas las
características cualitativas y cuantitativas de los flujos de materiales en esas modernas
instalaciones que en muchas ocasiones están totalmente automatizadas.
Dentro de todo este equipamiento se destacan medidores de flujo de gas para todas las
necesidades posibles (Flujómetros) y toda una serie de analizadores químicos que
determinan casi instantáneamente la composición cuantitativa y cualitativa del biogás
generado en los digestores.
Toda esta tecnología es muy costosa y sólo está disponible para los países más
desarrollados. Incluyendo equipos para trabajar a nivel de laboratorio, alguno de los
cuales cuestan decenas de miles de dólares.
Por lo planteado anteriormente los países desarrollados sólo utilizan a mayor escala las
tecnologías tradicionales de producción de biogás y para las determinaciones de
parámetros fundamentales del proceso de digestión anaerobia se utilizan también
equipos de laboratorio de bajo costo y con procedimientos simples para su operación.
Dentro de los parámetros fundamentales a determinar en un proceso de digestión
anaerobia están: volumen total del gas producido y la calidad del mismo; dentro de la
calidad del gas lo fundamental es la proporción entre el contenido de metano y dióxido
de carbono, y por último la cantidad de sulfuro de hidrógeno.
Entre los métodos más difundidos para determinar el volumen del gas generado se
encuentran los métodos volumétricos, específicamente los métodos de desplazamiento
de agua. Dentro de estos existen muchas variantes y realmente tienen una gran
sensibilidad y fiabilidad, y están basados fundamentalmente en el empleo de la botella
de Mariotte.
16
En este trabajo se analizaron diferentes equipos medidores de gas a nivel de
laboratorio, como los propuestos por (Field, 2005) y (Menna y col, 2007). En muchos
de esos equipos se opera con pequeños volúmenes de material en digestión y
pequeños volúmenes de gas a producir, lo que obliga a trabajar con gran precisión o lo
que es lo mismo si no se domina a la perfección la técnica el error de determinación es
muy grande. Cuando no se dispone de sistemas para mantener la temperatura
constante, los cambios grandes de temperatura en pequeños volúmenes causan
efectos más drásticos (Anexo #3) Existen aparatos para trabajar con volúmenes de digestión cercanos a los 20 L (Anexo #4). Pero un equipo como este, que de hecho es de excelente calidad requiere de cierta
complejidad constructiva y de materiales no disponibles.
El aparto de laboratorio para medición de biogás que se construye en este trabajo está
basado en el principio de desplazamiento de agua como todos los equipos analizados;
está hecho totalmente de vidrio, conexiones y tapones de goma disponible en el
laboratorio, es de operación sencilla y maneja volúmenes medios de digestión y de
producción de biogás.
1.7 Plantas tradicionales para producir biogás
Basando en la forma de recolección de gas, los equipos de biogás se clasifican en dos
tipos: de tapa flotante y de tapa fija.
Planta de biogás de tapa flotante:
Este equipo de biogás fue desarrollado por la Comisión de Industria rural y Khadi de la
India (KVIC). El contenedor de gas es una tapa con forma de una caja tapada
directamente sobre el líquido o a una junta de agua alrededor de la boca del estanque
(Anexo #5). El gas producido en el estanque es recolectado y contenido en la tapa y
hace flotar la tapa. El peso de la tapa crea una presión sobre el gas contenido adentro,
cuando sacan gas para el uso, la tapa se hunde. La introducción de nuevo material para
descomponer por el tubo de entrada, crea una presión que impulsa el residuo o material
ya descompuesto hacia fuera por el tubo de salida.
La tapa de este equipo es hecha de hierro o de hormigón con red de hierro con la
calidad ya revisada antes de salir del taller. El peso de la tapa influye mucho en la
presión por dentro del estanque, este es un factor que en el momento de diseño hay
17
que prestar especial atención, la tapa hecha de hierro es de un elevado costo. La tapa
tiene contacto directo con el aire y sufre afectación por la temperatura del ambiente
durante el invierno, la baja temperatura afecta mucho la productividad del gas. La junta
de agua protege el estanque de la entrada de agua de las lluvias y evita el contacto
entre el líquido y el aire de afuera que propicia aún más las condiciones anaerobias y
así incrementa la productividad del gas.
Planta de tapa fija
Este equipo fue inventado en China. El contenedor de gas y el estanque forman un
conjunto hermético. El gas generado se desplaza a la parte superior del estanque y en
la parte baja permanece el líquido en fermentación.
El estanque puede ser construido sobre el tanque de regulación de presión (Anexo #6 a)) o separados (Anexo #6 b)). El primero tiene muchas desventajas y son menos
usuales. Este equipo de tapa fija es construido de ladrillo, cemento, arena y es de bajo
costo en comparación con el equipo de tapa de hierro. También por la aplicación de las
técnicas no tan avanzadas, el beneficiario puede construir por su cuenta. La planta de
tapa fija es construida debajo de la tierra, por lo que no ocupa tanto espacio, mantiene
la temperatura estable en el invierno, pero en la construcción es necesario garantizar
que no entre el aire.
Planta de biogás de bolsa de nylon
Es una forma de equipo de biogás con tapa fija (Anexo #8). El gas es contenido en la
bolsa debido al carácter elástico de la bolsa y no es necesario el tanque de regulación
de la presión, pero necesita peso sobre la bolsa para crear presión. Este equipo es fácil
de montar, barato pero su uso es para un periodo corto de tiempo.
Funcionamiento de planta con tapa fija:
El funcionamiento del equipo de tapa fija comprende los siguientes pasos:
• La presión de gas sobre la superficie de líquido en el momento de generación de
gas.
18
• El líquido hace una presión de vuelta y ocupa el lugar de gas, impulsa el gas
hacia afuera para el uso.
Se representa (Anexo #9) la posición del nivel del líquido en fermentación en el
estanque de descomposición y el nivel del líquido residual en el tanque de regulación de
presión. Cuando los niveles de líquido en el tanque y en el digestor son iguales se le
denomina nivel 0, en este instante, el volumen de gas contenido en el estanque de
descomposición es V0. Cuando el material de entrada es descompuesto y genera el
biogás, este se queda en la parte superior del digestor. El aumento del contenido de gas
en el estanque crea una presión más grande sobre la superficie del líquido, impulsando
el líquido al tanque de regulación de presión. El volumen de líquido impulsado es igual
al volumen de gas producido. En el momento en que el volumen de contención de gas
llega a su tope, el líquido en el tanque de regulación de presión llega también a su
máximo nivel, aquí el nivel de líquido en el estanque de descomposición es A-A y el
nivel de líquido en el tanque de regulación de presión es B-B. Este es el límite del
equipo, la diferencia de líquido en el estanque y el tanque es debido a la presión hecha
por el gas producido.
1.8 Factores que afectan la fermentación a biogás
La fermentación a biogás recibe influencias de muchos factores diferentes. A
continuación se explican aquellos que están relacionados con la construcción y la
operación de digestores, y a la productividad de la instalación.
Ambiente anaerobio
La descomposición a biogás cuenta con la participación de muchas bacterias, de las
cuales las metenogénicas son las más importantes. Estas bacterias son anaeróbicas en
estricto sentido y son muy sensitivas con oxígeno. La presencia del oxígeno en el
ambiente no permite su actividad o su crecimiento. Asimismo, el oxígeno, aunque esté
disuelto en el líquido, no es favorable para la fermentación anaeróbica.
Temperatura
La actividad de las bacterias metanogénicas depende mucho de la temperatura. La
temperatura ideal para la operación del digestor tradicional es alrededor de 35ºC. El
19
rendimiento de biogás se reduce si la temperatura del ambiente desciende y en 10°C la
producción de metano se detiene.
Las bacterias metanogénicas no resisten una gran fluctuación de temperatura en un
día. Por lo que es importante mantener la temperatura de digestión, hasta aislar la
planta en el invierno.
Valor pH
El valor pH ideal para actividades de bacterias es entre 6,8 y 7,5, equivale a una
solución poco básica. Pero, las bacterias todavía crecen con un pH de 6,5 a 8,5.
Tiempo de retención hidráulica
Hoan (2008) cita que la duración en la cual los materiales se descomponen en el
digestor y producen metano se llama tiempo de retención hidráulica (TRH). En la Tabla #2 se muestra el TRH de algunos materiales.
Tabla #2 Tiempo de retención de varios materiales.
Tipo de
excrementos
Ganados mayores Puercos Aviares Humanos
Tiempo de retención 50 40 30 60
Concentración de material
La concentración de material es la tasa entre la cantidad de contenido sólido y el total
de material (medida por porcentaje).
La óptima concentración del material para la fermentación a biogás es entre 7 y 9%. Si
el material es de bejuco acuático, la óptima concentración es de 4-5%, si es de paja la
mejor tasa es de 5-8%. Los materiales suelen tener la concentración mayor que la
mejor tasa, entonces, al cargar el digestor, es necesario diluirlos con agua.
Tasa de carbono y nitrógeno
Las sustancias orgánicas se forman por muchos elementos químicos, los principales
son carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S).
La tasa entre la cantidad de carbono y de nitrógeno es un factor que determina la
capacidad de fermentación, porque las bacterias anaeróbicas consumen carbono 30
veces más que nitrógeno, la óptima tasa entre cantidad de carbono y de nitrógeno debe
20
ser 30/1. Si la cifra es muy alta, la descomposición progresa lento y si es muy baja,
produce mucho amoniaco, el cual damnificará a bacterias.
Efectos de toxinas
Las bacterias operan bajo ciertas influencias de toxinas. En realidad, no se puede
permitir la existencia de las toxinas químicas como herbicidas, insecticidas, pesticidas,
antisépticas, detergentes, tinturas o grasa industrial en el estanque de descomposición.
En este epígrafe se planteó la necesidad de tener en cuenta numerosos factores que
influyen en el proceso de fermentación anaeróbica, por ejemplo una alteración en la
temperatura puede detener el proceso, por otra parte si la tasa de C/N no es la
adecuada hay una sobreproducción de amoníaco y damnificaría a las bacterias
metanogénicas. Se presenta las condiciones óptimas para la producción de biogás
(Anexo #10).
1.9 Política Provincial con respecto al biogás
La provincia de Las Tunas es un territorio que consume considerando todas las formas
de energía unas 355 282.82 Toneladas de Combustible Convencional al año.
(TCC/Año). El aporte de los portadores energéticos al balance energético territorial al
culminar el año 2008 se muestra (Anexo #11). Como bien se puede apreciar las
fuentes renovables de energía en el territorio tunero al culminar el 2008 representan el
26,7 % del consumo energético total con una producción de biogás de 18,3 TCC/ año.
Por lo que sus potencialidades se concentran en:
• Energía de la Biomasa
• Energía Solar
• Energía Eólica
Especialistas en el tema plantean que de acuerdo al potencial del territorio, la provincia
puede contener en su balance energético un 50% de combustibles renovables. Para
lograr esta meta se encuentran instalados 65 digestores de biogás.
El desafío energético que enfrenta el país rebasa lo puramente tecnológico. Los
aspectos educativos y la divulgación por los medios masivos han de jugar un rol
21
decisivo en el necesario desarrollo de la cultura de toda la población sobre la energía
renovable y su importancia.
Las acciones que en medida creciente se han venido desplegando en relación con la
introducción de las energías renovables, demandan a la par de un sostenido aliento ,
estímulo y de la necesaria orientación ;se exige un trabajo sistemático que vaya
creando no solo la conciencia en torno al tema ,sino también el conocimiento ,la
experiencia, el dominio para poder organizar los esfuerzos en la dirección adecuada,
hay que señalar que el uso de las fuentes renovables de energía tiene también una
connotación ambiental muy positiva, los serios problemas del medio ambiente ,cuyo
deterioro ha estado muy vinculado al uso desmedido de los combustibles fósiles ,la
hace una actividad de creciente importancia para todos.
Se pretende ejecutar una interesante experiencia en la Vaquería 17 de la UBPC de
Maniabo, donde se aspira mediante la digestión anaerobia devolver la energía al
potrero que el animal traslado a la vaquería, reducir el tamaño de la partícula del
alimento que el animal se come y regar el banco de gramíneas con la energía del
biogás sin duda acciones que pretenden incrementar la producción de leche y proteger
el potrero.
Dentro de su política el CITMA provincial tiene como uno de sus objetivos
fundamentales iniciar el proyecto BOMAS-CUBA en la UBPC Maniabo, con el propósito
de evaluar empleo del residual del biogás como mejorador de suelo, evaluar la
reducción de la carga contaminante de la excreta vacuna con la digestión anaerobia,
evaluar también los rendimientos de producción de biogás por Kg. de excreta aportado
al digestor, emplear el biogás para riego, refrigeración y para el molinado con el
propósito de mejorar los piensos criollos, empleo del biogás en la conservación de
frutos y semillas, etc. Se pretende utilizar esta instalación como fuente de tesis para
pregrado y postrados de estudiantes del centro universitario, lo que enriquecerá todo el
universo de la información sobre la experiencia.
Principales dificultades para ejecutar el proyecto.
La actividad no la centra ningún ministerio. Pobre mantenimiento de las instalaciones.
22
Prácticamente no existe ningún equipo de medición para ajustar parámetros e
incrementar la eficiencia. Necesidad de mejorar la estadística atendiendo que estas fuentes están también
en manos de particulares. Necesidad de legislaciones que propicien el empleo de estas fuentes y sus
subproductos.
Del Presupuesto para la línea biogás en LAS TUNAS, el CITMA ha asignado para las
acciones siguientes:
1- Definir los rendimientos de producción de biogás por Kg. y por Kg. de sólidos
volátiles en digestión anaerobia no controlada de las excretas Porcinas, Vacunas y
Aviares en el contexto actual de la producción ganadera en Cuba. (Pres. MN, 16700.8 y
Pres. CUC, 18693.59).
2- Conocer la composición media del biogás en términos de Metano, CO2 y H2S del
biogás producido por las excretas porcinas, vacunas y aviares. (Pres. MN, 3000.0)
23
Conclusiones parciales
1. La utilización del biogás a partir de la fermentación anaeróbica se usa desde
1890 en la India. En ese año se construyó el primer digestor a escala real para
obtener gas combustible a partir de residuales humanos.
2. En la actualidad se incrementa el uso de la producción de combustible a partir de
la biomasa con el empleo de la digestión anaerobia en países como China, India,
Nepal, Alemania, Vietnam, entre otros.
3. En los lineamientos de trabajo o prioridades del CITMA en el país y en el
territorio se refiere con fuerza al empleo de la biomasa para la producción de
combustible.
4. En la estrategia de producción de biogás en el territorio se plantea la dificultad de
no contar con datos precisos de la producción de gas metano por Kg. de
biomasa en las condiciones del territorio, además no se dispone de un equipo
que permita la cuantificación del gas producido.
24
Capitulo2 Evaluación de la producción de biogás en la Vaquería 17 de Maniabo de la provincia Las Tunas
La instalación objeto de estudio esta situada en la carretera de Jobabo Km. 5 ½
provincia Las Tunas, esta cuenta con un total de 6 naves de (50x4) m, esta vaquería
tiene un área total de 134.2 ha y pertenece a la UBPC Maniabo, dicha cooperativa es
responsable del desempeño de 7 vaquerías, 4 microvaquerías, 2 centros de desarrollo,
un módulo porcino, un módulo pecuario y un centro de lombricultura.
2.1 Determinación de la cantidad de excretas vacunas disponibles
Para la determinación de la cantidad de excretas vacunas disponibles para la
producción de biogás (para un día y para un año) se visitó la vaquería en estudio. En
esta visita se cuantificó la existencia total de vacunos en la instalación y sus categorías;
se analizó las condiciones de estabulación del ganado y el tiempo de estabulación.
También se determinó la mecánica de la limpieza, esencialmente la relacionada con la
recogida del material sólido. Se constató que la forma fundamental de recogida del
material sólido es por raspado en seco. Se observó la forma de acumulación del
material sólido recogido, hasta el momento de su transporte para algún uso específico.
(Anexo #12) Se visitó la dirección de la UBPC y se obtuvieron datos técnicos
relacionados con la vaquería. (Anexo #13) Durante la visita se informó que el 100% de los animales de la vaquería son
estabulados a partir de las 7:00 PM hasta las 6:00 AM.
Cálculo de la cantidad de excretas disponibles para producir biogás.
Se tomó como base para el cálculo que una vaca adulta produce desde 18-25 Kg. de
excretas al día como promedio. Estos datos son obtenidos de diferentes fuentes de
información, de Cuba y extranjeras. Por parecer más razonable y teniendo en cuenta la
alimentación diaria, relacionada con la calidad de los pastos y que no existe una dieta
adicional de piensos de alta densidad energética y también por las características
físicas de los animales se prefiere para la vaquería en estudio un promedio de
producción de excretas entre 18-20 kg al día.
Se tomó como base para el cálculo también 12 h al día. O sea, que del total de excretas
que se genera, de acuerdo a cada categoría solo se dispone de un 50%
25
aproximadamente. Se estimó también que la masa total de excretas depositadas
durante la estabulación es recuperable.
Entonces:
- 1 vaca = 20 kg x día ______ (10 kg x día disponible).
- 129 vacas = 2580 kg x día ________ (1290 kg x día disponible)
Se despreció las excretas producidas por terneros y otros animales.
Se deduce para un año:
1290 kg de excretas x día x 365 día = 470 850 kg x año = 470,8 TM
Materia seca de la excreta
La información bibliográfica refleja la concentración de ST (sólidos totales) de la excreta
vacuna fresca entre 16-20%. Para este estudio se determinó por la comparación de las
fuentes de datos que 18% de ST era un número aceptable para los cálculos.
2.2 Cálculo de la producción de biogás
Para el cálculo de la capacidad potencial de producir biogás por digestión anaerobia de
las excretas vacunas disponibles en la Vaquería 17 se utilizaron índices teóricos y
prácticos obtenidos de la literatura. Estos son:
1 kg(excreta vacuna seca)______ rinde 376,5 L de biogás
1 kg(excreta vacuna – 18% ST)_____ rinde 67,8 L de biogás
Como se dispone de 1290 kg de excretas vacunas en un día, entonces:
67,8 x 1290 = 87 462, o sea, potencialmente se puede obtener en un día 87 462 L de
biogás (87,5 m3).Siempre el rendimiento real de gas es inferior producto a que los
procesos no se ejecutan de forma ideal en las plantas.
Para plantas de biogás tradicionales como las chinas de cúpula fija se pueden manejar
números como los siguientes:
1 kg (excretas vacunas diluidas en agua 1:1) ___ rinde 15-32 L de biogás
2580 kg (excretas vacunas diluidas en agua 1:1) ___ rinde 38 700 – 82 560 L de biogás.
O sea, en fermentación real en plantas de biogás de tipo chino, fermentando toda la
excreta disponible se puede obtener entre 38,7 y 82,5 m3 de biogás al día.
Para un año se puede obtener entre 14 125,5 y 30 112,5 m3 de biogás al año.
26
2.3 Diseño de un gasómetro
El aparato para determinar producción de biogás a nivel de laboratorio(Anexo #14) está
construido totalmente con recipientes de vidrio de laboratorio, tubos de vidrio o metal,
mangueras de goma, llaves de laboratorio, embudo de cristal, quemador Bunsen y dos
tapones de goma grandes maquinados en torno. Consta de tres recipientes: 1- digestor,
2- gasómetro y 3- medidor.
Este aparato permite la cuantificación del biogás generado por el método de
desplazamiento de agua.
1- Digestor: Es un matraz Erlenmeyer de 5 L de capacidad. Este matraz se cierra
con un tapón de goma (Φ 60 mm) de ajuste hermético y con estructura apropiada
para sello de agua para comprobar cualquier fuga de gas. El tapón de goma
grande tiene un orificio donde ajusta otro tapón de goma (Φ 25 mm), también
dispuesto para sello de agua. El tapón pequeño interno, que es desmontable
fácilmente durante la operación, posee un tubo de metal en “L” conectado a una
manguera de goma (Φ 10 mm) que conduce el gas al gasómetro. En esta
manguera existe una llave de paso de laboratorio de cierre a tornillo.
2- Gasómetro: Es un matraz Erlenmeyer de 5 L de capacidad. Este matraz se cierra
con un tapón de goma (Φ 60 mm) de ajuste hermético y con estructura apropiada
para sello de agua. Este tapón tiene tres orificios con tres conexiones. Conexión -
1, con “T” conectada, permite la entrada de gas desde el digestor y el reemplazo
de agua a través del embudo de vidrio. Conexión -2, se acopla con una
manguera (Φ 10 mm) de goma que conduce a un quemador de gas tipo Bunsen.
Conexión -3, es un tubo de bureta que llega cerca del fondo del gasómetro y por
la parte superior sobresale 10-20 cm según la forma de operación. Este tubo
termina en una especie de “T” y permite el paso del agua desplazada al
recipiente medidor.
3- Medidor: El recipiente que recibe el agua desplazada del gasómetro es una
probeta de 1 L de capacidad. Esta probeta está cerrada con un tapón de goma
con dos orificios. Uno para la entrada de una manguera fina, que conduce el
agua desplazada y otro para mantener presión atmosférica.
27
Inóculo: preparado a partir de excretas vacunas y aguas negras albañales en estado
anaerobio, para lograr la mayor riqueza microbiana del sistema metanogénico. Se
preparó a razón de 40 % de excretas vacunas frescas y 60 % de aguas negras
anaerobias. Se mantiene el preparado en un recipiente de 5 L y se alimenta cada 10
días aproximadamente con sacarosa y peptona de laboratorio deteriorada, para
mantener activa la fermentación metanogénica. El inóculo mantiene el pH estable entre
7.5-8 y desprendimiento de gas notable, lo que indica el buen estado del consorcio
fermentativo.
Operación del sistema: El digestor se llena con el material orgánico, que puede ser
excretas vacunas frescas diluidas en agua en proporción 1:1. Esto da una concentración
de sólidos totales (ST) de cerca del 9 %, ideal para la fermentación de este material. La
proporción de material a fermentar –inóculo para los 5 L puede ser 4:1, si se quiere que
el proceso comience rápidamente. Si el inóculo es < 0.5 L, se demora la activación del
proceso.
El recipiente se puede forrar con papel para evitar un enfriamiento muy brusco durante
la noche, que pudiera detener la fermentación.
Al cerrarse el digestor con el tapón de goma y según la proporción de inóculo el gas
comienza a pasar al gasómetro, rápidamente o en dos a tres días. El gasómetro inicia
lleno de agua acidulada (5 % de HCl ) y coloreada ( lugol ) hasta el nivel cero. Cuando
penetra el gas procedente del digestor a través de la Conexión -1 este hace presión
sobre la superficie del líquido y el agua acidulada – coloreada sube por la Conexión -3 y
cuando alcanza el gas una presión determinada, el agua se decanta del extremo del
tubo en “T” y pasa al recipiente medidor.
La Conexión -3 se puede mover en el tapón de goma, de manera tal que se puede
disponer para que 1 L de agua sea desplazado exactamente a 40 cm de la columna de
agua.
Cuando se desplaza 1 L de agua el proceso comienza de nuevo. Se cierra la salida del
digestor, se abre la llave del mechero Bunsen para comprobar combustión y para evitar
que el metano vaya a la atmósfera. Se quita el tapón interior del embudo, se enraza a
cero con agua acidulada-coloreada de nuevo, que puede ser de la probeta. Se abre la
llave del digestor y comienza de nuevo el desplazamiento de agua.
28
El biogás obtenido siempre es a presión diferente a la atmosférica. Para llevarlo a
presión atmosférica, se utiliza el precepto teórico de la ley de Boyle-Mariotte, teniendo
en cuenta que los resultados siempre estarán relacionados con temperatura constante.
Para el cálculo se procederá de la manera siguiente:
- Primero: se convertirá la presión expresada en cm. de la columna de agua a su
equivalente en Pa. Se utilizará el siguiente factor de conversión:
1 mm (columna de agua)= 9.806 Pa
400 mm (columna de agua)= 3922.66 Pa
1 L de biogás obtenido a 40 cm de la columna de agua tendrá una presión igual a la
presión atmosférica más la presión equivalente a 40 cm de la columna de agua, o sea:
P = 101 325 Pa + 3922.66 Pa = 105 247.66 Pa
Ejemplo:
Para convertir 1 L de biogás obtenido a una presión de 40 cm de la columna de agua
por encima de la presión atmosférica normal, se utiliza la siguiente fórmula, que es una
expresión de la ley de Boyle-Mariotte para procesos isotérmicos:
P1V1 = P2V2, que es igual a P1/P2 = V2/V1, donde:
P1= presión a que se obtiene el biogás (en este caso 40 cm de la columna de agua)
P2 = presión normal o atmosférica (101 325 Pa)
V1 = 1 L de biogás obtenido a la P1
V2 = volumen de biogás obtenido a la presión atmosférica
Sustituyendo en P1/P2 = V2/V1
105.248 kPa/101.325kPa = V2/1L
V2 = 105.245kPa x 1 L/101.325kPa = 1.039 L, o sea 1 L de biogás obtenido en el
aparato a la P = 40 cm H2O es equivalente a 1.039 L de gas a la presión atmosférica.
Para medir la producción de biogás de un determinado material orgánico se suman
todas las cuantificaciones diarias o de cada dos días, según se disponga el sistema.
Este aparato fue probado inicialmente midiendo CO2 producto de la fermentación de
levadura, para comprobar hermeticidad, comportamiento hidráulico y facilidad de
manipulación, comprobándose que funcionaba correctamente.
29
Probado en condiciones de máxima producción de biogás (con digestor de 5 L,
temperatura ≥ 300C) el aparato puede desplazar 1 L de agua, a 40 cm de la columna de
agua en 3 h y 10 min.
Para este aparato no se ha determinado el % de error en la cuantificación del biogás
generado; pero teniendo en cuenta la hermeticidad del sistema, la facilidad para verificar
volúmenes de agua desplazada y altura de la columna líquida y que se trabaja con
volúmenes no muy pequeños, se estima que el error de determinación este cercano al 2
%, como lo reporta la literatura consultada para aparatos análogos. La determinación
del error propio de este aparato se hará en trabajos posteriores.
Este aparato puede servir para determinar gas metano, simplemente eliminando el CO2
del biogás producido con una solución básica en el gasómetro. Esto es muy importante
porque permite cuantificar el verdadero poder combustible del biogás. Esto se probará
también en trabajos posteriores.
Usos posibles del combustible.
La tecnología para obtener biogás no implica desechos, pues todos los productos y
subproductos se aprovechan. Entre los principales residuos de este proceso figuran
agentes químicos, lodos y líquidos, los cuales tienen diversas aplicaciones.
Como combustible, el biogás es ideal en la cocción de alimentos, iluminación,
calentamiento de crías de pollos y cerdos (Anexo #15), incubación de huevos,
refrigeración y en motores de combustión interna, y como agente químico es un buen
conservante de granos y fertilizador de algas.
Los lodos y líquidos se utilizan fundamentalmente para mejorar suelos (biofertilizante),
controlar plagas y enfermedades en los cultivos, cosechar hongos comestibles,
alimentar animales, como fertilizantes foliares, además de que tienen amplio uso en la
piscicultura y lombricultura.
El biogás, como combustible, puede hacer funcionar cualquier aparato que esté
diseñado para trabajar con gas. Para conservar granos, se inundan las cámaras de
almacenamiento hasta que la atmósfera se torna irrespirable para los insectos que los
atacan.
30
En la fertilización de algas se hace burbujear en un estanque poco profundo, donde se
ha plantado previamente un alga conocida como lentejuela, rica en proteínas y que se
emplea en la alimentación de pollos de ceba. Los lodos y líquidos, empleados como
biofertilizante resultan mejores fertilizantes que los orgánicos como el compost, cuya
descomposición requiere oxígeno.
Según especialistas, se ha demostrado que la aplicación de fertilizante de biogás es
idónea para disminuir las poblaciones de insectos luego de aplicado.
En Francia y otros países los residuales se emplean de modo directo como alimento
animal, mezclados en pequeñas proporciones con la comida de los cerdos. Estos
desechos son ricos en proteínas a causa de las bacterias que se adhieren durante la
digestión.
Asimismo, constituyen nutriente ideal en la piscicultura, fomentan el crecimiento del
fitoplancton, además de servir de alimento a la fauna acuática, por lo que aumenta la
crianza de peces en un mismo volumen de agua, al disponer de más oxígeno disuelto.
Como fertilizante foliar, los líquidos, una vez filtrados, se pueden aplicar con un rociador
o atomizador a la superficie de los cultivos. Las cosechas de hongos comestibles
mejoran cuando se emplean los lodos digeridos como sustrato.
31
Conclusiones
1. La Vaquería 17 y las demás de la UBPC-Maniabo, generan una cantidad de
material orgánico fermentable que de ser tratados en plantas de biogás rendirían
una cantidad de energía apreciable y un residual valioso como fertilizante.
2. En la Vaquería 17 de la UBPC de Maniabo están disponibles para producir
biogás 1290Kg de excretas vacunas al día, lo que equivale a 714.600Kg al año, o
sea 714 TM.
3. La digestión anaerobia de ese material orgánico, dentro de un digestor tradicional
tipo chino puede generar entre 38,7 y 82,5 m3 de biogás/día.
4. Un digestor tradicional tipo chino de 100 m3 de cámara de digestión puede
manejar casi toda la excreta vacuna de esa vaquería.
5. El aparto diseñado en este trabajo puede ser empleado para cuantificar la
producción de biogás a partir de un determinado residual y también de CH4 y
CO2.
6. El equipo diseñado en la investigación puede llegar a constituir un instrumento
valioso para la docencia en las carreras de Ingeniería Industrial y Agrónoma, para
explicar lo relacionado con los reactores y la importancia ecológica del
tratamiento de residuales.
32
Recomendaciones
1. Realizar todos los estudios y coordinaciones pertinentes para la construcción de
un digestor de biogás en la Vaquería 17 de la UBPC de Maniabo, esto es factible para
vaquerías similares.
2. Realizar análisis que permitan lograr el consumo óptimo de todo el biogás
generado por una planta que consuma toda o casi toda la excreta vacuna generada en
la vaquería.
3. Valorar la forma más adecuada de utilizar el residual líquido y sólido efluente del
tanque de digestión.
4. Utilizar el aparato construido en este trabajo para determinar la cantidad de
biogás generado por la excreta vacuna propia de la vaquería y la calidad del biogás
(contenido de metano fundamentalmente).
5. Probar experimentalmente en el aparato la digestión de la mezcla excreta
vacuna-gallinaza para lograr una complementación adecuada C/N.
6. Popularizar a través de los medios disponibles la tecnología de digestión
anaerobia para producir biogás.
33
Bibliografía
Aplicaciones de la biomasa. Disponible en:
http://www.miliarium.com/Monografias/Energia/E_Renovables/Biomasa/Biomasa.asp
[Consultado: 3 de marzo de 2009]
Berra, Guillermo. Influencia de la ganadería argentina en la emisión de gases de
efecto invernadero. Instituto de Patobiología, INTA Castelar. Disponible en:
http://www.produccionbovina.com/sustentabilidad/25-emision_gases.pdf [Consultado: 27 de
abril de 2009]
Biogás y biocombustibles. Disponible en:
http://www.energytraining4europe.org/spanish/training/guide_res/biofuels_02.htm
[Consultado: 4 de mayo de 2009]
Biogás: casos prácticos. Disponible en: http://www.biocombustibles.es
[Consultado: 6 de abril de 2009]
Carballo Abreu, Leila. Biomasa: alternativa sustentable para la producción de
Biogás. Disponible en: http://www.monografías.com [Consultado: 10 de marzo 2009]
Colectivo de Autores. Biomasa: Digestores anaerobios. Madrid. IDAE (Instituto
para la Diversificación y Ahorro de la Energía). 2008
Colectivo de Autores. Fisiología, producción de biomasa y sistemas silvo
pastoriles en pastos tropicales. Abono orgánico y biogás. La Habana. Instituto de
Ciencia Animal, Cuba 2006.
Colectivo de autores. La producción de biogás a partir de desechos pecuarios y
agroindustriales: una alternativa energética. Disponible en: http://www.energia.inf.cu
[Consultado: 5 de marzo del 2009]
Contreras, Luz Maria. Producción de biogás con fine energéticos. De lo
histórico a lo lógico. Disponible en:
http://www.revistafuturos.info/futuros16/prod_biogas.htm [Consultado: 11de mayo de
2009]
Deublein Dieter and Angelika Steinhauser. Biogas from waste and renewable
resources. Weinheim. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2008
34
El biogás por descomposición anaerobia. Disponible en:
http://www.es.wikipedia.org [Consultado: 11 de mayo de 2009]
Faires Moring, Virgil. Termodinámica. La Habana. Editorial Pueblo y Educación.
1978.
Fernández Rey, Javier. Energía de la biomasa: tipos de biomasa y su
aprovechamiento energético. Disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos66/biomasa-eficiencia-energetica/biomasa-eficiencia-
energetica.shtml [Consultado: 17 de febrero de 2009]
Field, Jim. Medición de parámetros. Universidad Agrícola de Wageningen,
Holanda. 2005.
Fonte Hernández, Aramís. Biogás: energía, medio ambiente y clima. Disponible
en: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia20/HTML/articulo03.htm
[Consultado: 4 de mayo de 2009]
Guardado Chacón, José Antonio. Tecnología del biogás: Manual del usuario. La
Habana. Editorial Cubasolar. 2006.
Hilbert, Jorge A. Manual para la producción de biogás. Instituto de Ingeniería
Rural INTA. – Castelar. Disponible en: http://www.inta.gov.ar/iir/info/matriz.htm
[Consultado: de marzo de 2009]
How biomass energy works. Union of Concerned Scientists. Disponible en:
http://www.ucsusa.org/assets/documents/clean_energy/how_biomass_energy_works_f
actsheet.pdf.
[Consultado: 18 de febrero de 2009]
Ludwig, Sassse. La planta de biogás: bosquejo y detalle de plantas sencillas.
Bremen. Ed. Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden. 1985.
Martí Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de
instalación. La Paz. GTZ-Energía.2008
Menna, Máximo y col. Metodología de bajo costo para la cuantificación de biogás
en biodigestores de laboratorio. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente,
2007, Vol 11.
35
Pedroso Paula, Marisel. Potencialidades para la producción de biogás en
entidades y asentamientos poblacionales del Municipio Viñales. Disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos41/produccion-biogas/produccion-biogas.shtml.
[Consultado: 7 de mayo de 2009]
Ramos Lorenzo, Orestes. Biogás: energía alternativa y protección ambiental.
Disponible en
http://edicionesanteriores.trabajadores.cu/2006/abril/22/cuba/biogas.htm
[Consultado: 7 de mayo de 2009]
Rodríguez, Claudia. Residuos ganaderos. Cursos de Introducción a la Producción
Animal. FAV, UNRC. 2002. Disponible en:
http://www.produccionbovina.com/sustentabilidad/05-residuos_ganaderos.htm
[Consultado: 27 de abril de 2009]
Usos de la biomasa. Disponible en: http://www.ecologismo.com/2008/11/03/usos-de-
la-biomasa/ consultado: 18 de febrero de 2009.
Villar Clebes, Carlos. Medio ambiente y ganadería. 2006. Disponible en
http://www.produccionbovina.com/sustentabilidad/60-medio_ambiente_y_ganaderia.htm
[Consultado: 27 de abril de 2009]
Anexos
Anexos Anexo #1 Componentes químicos de materiales y rendimiento teórico del gas.
Componentes (gramos secos) Rendimiento (litro/gramo) Rendimiento
Material
Carbono
hidrato
Proteína Lípido CH4 CO2
Estiércol de puerco 0,4204 0,1148 0,0603 0,2745 0,2335
Estiércol aviar 0,4703 0,0882 0,0455 0,2645 0,2332
Estiércol vacuno 0,2704 0,1046 0,0528 0,2062 0,1703
Anexo #2 Propiedades y rendimiento de gas de algunos materiales populares
Material Cantidad dada
al día
(kg/animal)
Contenido
sólido (%)
Tasa C/N
(carbono/nitro)
Rendimiento diario
(litro/kg material)
de vacas 15 – 20 18 – 20 24 – 25 15 – 32
de búfalos 18 – 25 16 – 18 24 – 25 15 – 32
Nota: Rendimiento de biogás con tanda de material rellenada diaria (caso de
excremento) o periódicamente (caso de residuos agrícolas)
Anexo #3 Ensayo establecido para la digestión anaeróbica en reactor de flujo
discontinuo y régimen mezclado con una botella de Mariotte para medir la producción
de metano.
Anexo #4 a) Esquema del medidor de volumen de biogás.
b) Equipo construido.
Anexo #5 Planta de biogás de tapa flotante con junta de agua.
1-Digestor.
2-Tapa de contenedor de biogás.
3- Entrada.
4- Salida.
5- Tubo para sacar gas.
Anexo #6 Planta de biogás con tapa fija. a) Biodigestor con estanque construido sobre el tanque de regulación de presión.
b) Biodigestor con estanque y tanque de regulación separados.
a) b)
Anexo #7 Planta con tapa fija en figura esférica NL-6.
1-Digestor.
2-Tapa de contenedor de biogás.
3- Entrada.
4- Salida.
5- Tubo para sacar gas.
Anexo #8 Planta biogás de bolsa de nylon.
Anexo #9 Cambio del nivel del líquido en la planta de biogás.
Møc sè kh«ng
Møc A - A
Møc B - B
Anexo #10 Resumen de las mejores condiciones para la producción de biogás.
No Factores Óptimos valores
1 Temperatura 30 – 40
2 pH 6,5 – 7,5
3 Tiempo de - Excrementos
retención - Plantas
30 – 50
100
4 Concentración - Excrementos
de material - Plantas
7 – 9
4 – 8
5 Tasa C/N 30/1
Anexo #11 Balance energético territorial al culminar el año 2008.
RENOVABLES APORTE EN TCC
Leña 3895.36
Carbón 5229.84
Bagazo ( Térmico) 60504.03
Bagazo ( Generación) 22914.27
Biogás 18.3
Alcohol 1030.79
Solar térmica 3.0
Solar Fotovoltaica 42.0
Eólica ( Molinos) 1433.15
TOTAL 95070.74
NO RENOVABLES
keroseno 9174.63
Diesel 48333.26
Gasolina 9366.27
Fuel-oíl 11292.68
GLP 2675.13
Electricidad (barra y grupos
electrógenos)
179370.22
TOTAL 260212.19
TOTAL GENERAL 355282.82
Anexo #12 Acumulación de volúmenes considerables de residual.
Anexo #13 Datos técnicos de interés relacionados con la Vaquería 17.
Indicador U/M Cantidad
Área total Ha 134.2
No de Potreros Uno 4
Número de vacas Cbza 129
Número de terneros Cbza 109
Número de novillas Cbza 5
Número de bueyes Cbza 4
Número de équidos Uno 2
Máquinas forrajeras ha 1
Preparación del suelo ha 27
Área de CT-115 ha 2.5
Área de caña ha 2
Área de pedestales ha 2.26
Sistemas de riego Uno 1
Anexo #14 Equipo construido para cuantificar la producción de biogás.
Anexo #15 Usos del biogás.