Universidad de El Salvador

Facultad Multidisciplinaria Paracentral

Departamento de Ciencias Agronomicas

Gestión Ambiental

Bidigestores

Ing. Agr.

Edgar Antonio Orantes Marinero

Br.

Edwin Oswaldo Rodríguez Gallegos

José Daniel Binitez Amaya

Francisco Javier Martínez Portillo

Erick Balmore Medrano Cruz

San Vicente, 30 sep. 2015

Índice de contenido

I. Introducción............................................................................................................................................3II. Revisión Bibliografía............................................................................................................................42.1. Procesos de Biodigestión....................................................................................................................42.2. Digestión Anaeróbica..........................................................................................................................42.2.1. Hidrólisis..........................................................................................................................................62.2.2. Etapa fermentativa o acidogénica....................................................................................................62.2.3. Etapa acetogénica.............................................................................................................................62.2.4. Etapa metanogénica.........................................................................................................................72.3. Biodigestor..........................................................................................................................................72.3.1. Características del digestor...............................................................................................................82.3.2. Tipos de Biodigestores.....................................................................................................................92.4. Biogás................................................................................................................................................102.4.1. Usos del Biogás..............................................................................................................................122.5. Bioabono...........................................................................................................................................13III. Bibliografía........................................................................................................................................13

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I. IntroducciónLa demanda de leña en grandes cantidades ha aumentado debido a altos costos que tiene el

gas y los índices de crecimiento poblacional causando a si la tala de arboles afectando de

esta manera los pocos ríos que quedan y los mantos acuíferos, por lo que el uso la

tecnología de Biodigestor es una técnica para disminuir la deforestación y explotar los

desechos biodegradables producidos de la crianza de animales como el vacuno, el cerdo, la

cabra, la oveja, los desperdicios de la cocina y hasta las aguas mieles de los beneficios

húmedos de café y evita que la descomposición de estos al aire libre contaminen mas. El

Biodigestor es una fábrica casera de gas, que da energía a sus propios procesos de cambio,

de desarrollo y aprendizaje.

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II. Revisión Bibliografía

2.1. Procesos de BiodigestiónEl correcto manejo de los residuos orgánicos se logra a través de diferentes tratamientos que

implican un reciclaje de estas materias orgánicas, transformándolas en productos con valor

agregado. El reciclaje de materia orgánica ha recibido un fuerte impulso con el alto costo de

los fertilizantes químicos, con la búsqueda de alternativas no tradicionales de energía, así

como también, la necesidad de vías de descontaminación y eliminación de residuos

(Varnero, 2011). La población microbiana juega un importante papel en las transformaciones

de estos residuos orgánicos especialmente si se considera que disponen de un amplio rango

de respuestas frente a la molécula de oxígeno, componente universal de las células. Esto

permite establecer bioprocesos en función de la presencia o ausencia de oxígeno, con el

objeto de tratar adecuadamente diversos residuos orgánicos (Varnero, 2011).

2.2. Digestión Anaeróbica La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de

oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en

productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y en digestato, que es una mezcla

de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación (IDAE, s.f.).

El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción

de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos

orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados.

La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así

como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los

residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas,

etc. También es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales de alta carga

orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias (IDAE, s.f.).

La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas

diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término genérico para designar, en

general, el alimento de los microorganismos), interviniendo 5 grandes poblaciones de

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microorganismos. Estas poblaciones se caracterizan por estar compuestas por seres de

diferentes velocidades de crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio

como inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la acido génesis de

aminoácidos), (IDAE, 2007).

Según CTC (Sf), señala que la digestión anaerobia es un proceso muy complejo tanto por el

número de reacciones bioquímicas que tienen lugar, como por la cantidad de grupo de

bacterias involucradas en ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma

simultánea.

El proceso de degradación de la materia orgánica se divide en cuatro etapas:

a) Hidrólisis.

b) Etapa fermentativa o acidogénica.

c) Etapa acetogénica.

d) Etapa metanogénica.

Imagen 1. Esquemas de digestión anaeróbica

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Fuente:Murcia,1998

2.2.1. Hidrólisis.

La hidrólisis consiste en una transformación controlada por enzimas extracelulares en la que

las moléculas orgánicas complejas y no disueltas se rompen en compuestos susceptibles de

emplearse como fuente de materia y energía para las células de los microorganismos (CTC,

Sf). No obstante las bacterias hidroliticas solubilizan extracelularmente las moléculas de

polímero orgánicos de carbohidratos, proteínas, y lípidos formando: azucares, ácidos grasos

de cadena larga y aminoácidos (Mejía, 1996).

2.2.2. Etapa fermentativa o acidogénica.

La segunda etapa, controlada por bacterias, consiste en la transformación de los compuestos

formados en la primera etapa en otros compuestos de peso molecular intermedio; como

dióxido de carbono, hidrógeno, ácidos y alcoholes alifáticos, metilamina, amoniaco y

sulfhídrico.

Esta etapa se denomina acidogénesis (CTC, Sf). Sin embrago las bacterias acidogénicas

utilizan los productos metabólicos de la fase anterior, los cuales son fermentados

intracelularmente produciendo los ácidos grasos de cadena corta conocidos como ácidos

volátiles, siendo los más importantes de estos: el acético, propionico y butírico y en segundo

término el valerico y caproico. En este paso de fermentación también hay producción de

hidrogeno y dióxido de carbono, y la misma actividad bacteriana produce sulfuros y algunos

compuestos aromáticos que proviene de aminoácidos que conforman las moléculas de

proteínas (Mejía, 1996).

2.2.3. Etapa acetogénica.

En la etapa de acetogénesis, los ácidos y alcoholes que provienen de la acidogénesis se van

transformando por la acción de bacterias en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono

(CTC, Sf).

2.2.4. Etapa metanogénica

La metanogénesis, última etapa, consiste en la transformación bacteriana del ácido acético y

del ácido fórmico en dióxido de carbono y metano y la formación de metano a partir de

dióxido de carbono e hidrógeno (CTC, Sf). Se distinguen dos tipos principales de

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microorganismos, los que degradan el ácido acético (bacterias metanogenicas

acetoclasticas) y los que consumen hidrogeno (bacterias metanogenicas hidrogenofilas). La

principal vía de formación del metano es la primera, con alrededor del 70% del metano

producido (Castells et al, 2012).

Imagen 2. Esquemas de reacción anaeróbica

Fuente: CTC, Sf

Como se observa, el metano no es el único gas que se produce en la degradación de la

materia orgánica en condiciones anaerobias, se trata de una mezcla de gases conocida

como biogás. Está compuesto por un 60% de metano (CH4), un 38% de dióxido de carbono

(CO2) aproximadamente y trazas de otros gases. La composición o riqueza del biogás

depende del sustrato digerido y del funcionamiento del proceso (CTC, Sf).

2.3. BiodigestorUn biodigestor básicamente consiste en un depósito cerrado, donde se introducen los

residuos orgánicos mezclados con agua para ser digeridos por microorganismos. El biogás

producido por la fermentación se puede almacenar en este mismo depósito en la parte

superior del digestor, llamada domo o campana de gas (Varnero, 2011). Otros modelos llegan

hasta producir gas metano para el uso doméstico; Esto se logra si uno añade el estiércol y

los excrementos de los animales domésticos, especialmente de los puercos y vacas

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(Hieronimi. H.). La campana de almacenamiento puede ser rígida o flotante. En algunos

casos, está separada del digestor y se le llama gasómetro. Este gasómetro es una campana

invertida, sumergida en un tanque de agua, que además de almacenar el gas, ejerce presión

sobre el gas para el consumo (Varnero, 2011).

Los biodigestores están construidos de manera tal, que los excrementos se quedan allí bajo

condiciones anaerobias entre 25 y 40 días. Saliendo del digestor, el agua generalmente se

pasa por una superficie húmeda artificial, con plantas como chuspata, platanillo o papiro, los

que bajan su contenido en nutrientes (Hieronimi. H.).

Los digestores se pueden construir enterrados o sobre el suelo, utilizando diferentes

materiales de construcción, como por ejemplo, ladrillos o vaciado de cemento. La campana

puede ser metálica, de madera recubierta de plástico o de ferrocemento. La carga y

descarga de los residuos puede ser por gravedad o bombeo. (Varnero, 2011) Hay diseños

para grandes granjas de vacas o puercos, que procesan todo el estiércol así y comercializan

el líquido, que sale del digestor (un fertilizante orgánico de altísima calidad.) (Hieronimi. H.)

2.3.1. Características del digestor.

Para que un digestor de residuos orgánicos opere en forma correcta, deberá reunir las

siguientes características:

a) Ser hermético con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere con la digestión

anaeróbica y a la vez, impedir las fugas del biogás producido.

b) Estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura, lo que

usualmente se consigue construyéndolos enterrados.

c) Aun no siendo en recipiente de alta presión, el contenedor primario de gas deberá contar

con una válvula de seguridad.

d) Contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema.

e) Tener acceso para el mantenimiento.

f) Contar con un medio para romper las natas o costras que se forman. (Varnero, 2011)

2.3.2. Tipos de Biodigestores.

Los biodigestores varían ampliamente de acuerdo con su complejidad y utilización. Los más

sencillos caen dentro de la clasificación de digestores discontinuos o de cargas por lotes y

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los más complejos se caracterizan por poseer dispositivos que permiten alimentarlos,

proporcionándoles calefacción y agitación. Resulta conveniente clasificarlos según su modo

de operación con relación a su alimentación o carga (Calero y Nacimba, 2011)

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, en

las cuales se emplean equipos comerciales para alimentarlos, proporcionándoles calefacción

y agitación, así como para su control. Dado que se genera una gran cantidad de biogás,

habitualmente, éste se aprovecha en aplicaciones industriales (Granja Autosostenible, s.f.)

Son los que reciben su carga por medio de una bomba que mantiene una corriente continua.

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. (Varnero, 2011)

Son los que reciben una carga fija cada día (Hieronimi s.f.)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. (Varnero, 2011)

Son los que se cargan de una sola vez y pasado el tiempo de retención se vacían

completamente. (Hieronimi. H.)

Los digestores anaeróbicos pueden clasificarse como de baja velocidad o de alta velocidad.

Los reactores anaeróbicos de baja velocidad no se encuentran mezclados. La tasa de carga

orgánica es baja en el rango de 1-2 kg DQO/m 3 .día. Los sistemas anaeróbicos de alta

velocidad mantienen un alto nivel de biomasa en el bioreactor. Las tasas de carga orgánica

varían de 5 a 30 kg DQO/ m 3 .día o incluso superiores. Los reactores anaeróbicos de alta

velocidad son más apropiados para la producción de bioenergía. (Hieronimi. H.)

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2.4. BiogásEl metano o biogás es producido básicamente por bacterias, cuando se descompone la

materia orgánica en un ambiente libre de oxígeno (Muahlers, s.f.). Segun Olmedo F. (2009)

la composición del biogás, depende del sustrato con el que se produce y del tipo de

tecnología utilizada, puede ser la siguiente:

✔ De 50 a 70% de metano (CH4).

✔ De 30 a 40% de anhídrido carbónico (CO2).

✔ De 0 a 5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y otros gases.

Varnero (2011), define biogás como una mezcla gaseosa formada principalmente de metano

y dióxido de carbono, pero también contiene diversas impurezas. La composición del biogás

depende del material digerido y del funcionamiento del proceso. Cuando el biogás tiene un

contenido de metano superior al 45% es inflamable. El biogás tiene propiedades específicas

que se indican en la Tabla 1.

Composición 55 – 70% metano (CH4) 30 – 45% dióxido de carbono (CO2) Trazas de otrosgases

Contenido energético 6.0 – 6.5 kW h m-3

Equivalente de combustible 0.60 – 0.65 L petróleo/m³ biogás

Limite de explosión 6 – 12 % de biogás en el aire

Temperatura de ignición 650–750°C (con el contenido de CH4 mencionado)

Presión critica 74 – 88 atm

Temperatura critica -82.5°C

Densidad normal 1.2 kg m-3

Olor Huevo podrido (el olor del biogás desulfurado es

imperceptible)

Masa molar 16.043 kg kmol-1

Tabla 1: Propiedades del biogas

Debido a su alto contenido de gas metano, tiene un poder calorífico algo mayor que la mitad

del que tiene el gas natural. Un biogás con un contenido de metano del 60% tiene un poder

calorífico de unas 5.500 kcal/Nm3 (6,4 kWh/Nm3) (Olmedo, 2009).

Es decir, salvo por el contenido en H2S, es un combustible ideal, con unas equivalencias que

se muestran en el cuadro siguiente:

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1 m³ de biogás →70%CH4 + 30% CO2 →6.000 kcal

= 6,8 kWh de electricidad

= 0,6 m³ de gas natural

= 0,8 l de gasolina

= 1,2 l de alcohol combustible

= 0,3 kg de carbón

= 0,71 l de fuel-oil

Tabla 2: Equivalencias del biogás

Fuente: (Olmedo F. 2010)

El proceso por el que se forma el biogás puede dividirse en una serie de pasos (ver

Ilustración 1).

Página 11 de 14Ilustración 1: Proceso de formación del biogás

Fuente: (FNR, 2010)

2.4.1. Usos del Biogás

El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes usos:

✔ En una caldera para generación de calor o electricidad.

✔ En motores o turbinas para generar electricidad.

✔ En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros

contaminantes de las membranas.

✔ Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de transporte

de gas natural.

✔ Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor añadido como

es el metanol o el gas natural licuado.

✔ Combustible de automoción, el biogás, además de metano tiene otra serie de

compuestos que se comportan como impurezas: agua, sulfuro de hidrógeno,

monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles como hidrocarburos

halogenados, siloxanos, etc (Calero y Nacimba, 2011). Por tanto, es necesaria la

limpieza del combustible, dependiendo del uso final; Una aplicación tipo de la

digestión anaerobia es en las granjas de ganado bovino y porcino de gran tamaño o

como planta comarcal de gestión de residuos en zonas de alta concentración de

ganado estabulado, por el gran problema que generan los purines (Olmedo, 2010).

2.5. BioabonoLas características del bioabono, dependen en gran medida del tipo de tecnología y de las

materias primas utilizadas para la digestión. Durante el proceso anaeróbico, parte de la

materia orgánica se transforma en metano, por lo que el contenido en materia orgánica es

menor al de las materias primas. Gran parte de la materia orgánica de este producto se ha

mineralizado, por lo que normalmente aumenta el contenido de nitrógeno amoniacal y

disminuye el nitrógeno orgánico (Varnero, 2011).

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III. BibliografíaCALERO TORRES, D.A. y NACIMBA TIPÁN, C.R. 2011. Generación de gas metano a partir de

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