SISTEMAS BIODIGESTORES

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FISICA GENERAL II

SISTEMAS BIODIGESTORES

INTEGRANTES: VALERIA ARIASMIGUEL BARBAAMANDA CHARROPAMELA GALARRAGAMARYLIN PALLASCO

INGENIERO: BOLIVAR PILCO

CURSO: GR2-INGENIERIA QUÍMICA

SEMESTRE: 2012-A

Quito, Marzo, 2012

Sistemas Biodigestores

OBJETIVO:

Aprender sobre el funcionamiento de un biodigestor y sus beneficios, mediante la investigación bibliográfica de los conceptos requeridos.

Brindar información sobre la importancia de la biodigestión como fuente de energía renovable y su aporte ambiental.

Conocer acerca de la difusión de los sistemas de biodigestión explicados, en nuestro país y América Latina

INTRODUCCIÓN:

El mundo actual presenta algunos de los problemas ambientales más graves jamás vistos.

El rápido crecimiento que experimenta el consumo energético hace imprescindible el planteamiento de nuevas formas de energía. Las fuentes renovables, o alternativas de energía nacen a partir de esta necesidad energética, como unas buenas fuentes para conseguir un ahorro energético, y tener la llave de un futuro energético más limpio, eficaz, seguro y autónomo

Dado que el deterioro del medio ambiente ha venido creciendo cada vez más, urge también la búsqueda de alternativas de reciclaje de los desechos, siendo los generados por las actividades agrícolas, los que por su volumen de generación y componentes de alto poder contaminante, los que una más pronta remediación requieren.

De la amplía cantidad de opciones que existen para aminorar estos problemas, solventar la necesidad de energías verdes y el exceso de polución Es destacable la importancia del uso de la biodigestión anaeróbica de desechos animales, pues es una alternativa factible para el saneamiento ambiental y producción de biogás (combustible) en el medio empresarial, rural y urbano, generando energía limpia, de bajo costo, y que ayude a mitigar el cambio climático.

La correcta aplicación de ésta tecnología, y una buena difusión de la misma nos permite: administrar adecuadamente los recursos naturales, transformar la materia prima y generar empleo, aplicando el principio de la sostenibilidad con rentabilidad, pilares fundamentales para alcanzar una mejor forma de vida y un futuro más próspero.

TEORÍA:

Dos conceptos primordiales, la Biomasa y la Biodigestión Anaerobia

La Biomasa es un concepto muy amplio, y que en los últimos años ha venido asociando en forma conjunta a las energías alternativas y los biocombustibles, se

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podría definir a la biomasa; como el conjunto de recursos forestales, plantas, residuos y subproductos agrícolas, ganaderos, urbanos industriales y humanos, que puede ser aprovechada mediante su combustión a través de su transformación en biogás, biodiesel, bioalcohol, etc. Como un reemplazo a las formas de energías tradicionales y altamente contaminantes.

La biodigestión anaerobia es el proceso bioquímico por el cual las bacterias propias de la biomasa generada por la producción agropecuaria, en especial, la degradan y transforman a biogás (metano) para su aprovechamiento directo o indirecto. Las principales tipos de bacterias que suelen actuar en este proceso son: estreptococos anaerobios, Escherichia coli, etc.

Anteriormente digestión anaerobia fue considerada como un sistema bifásico, compuesto por la fase no metanogénica en que las bacterias anaerobias transforman los substratos en productos solubles y gaseosos incluyendo acetatos, CO2, H2 y otra la metanogénica donde las bacterias formadoras de metano (CH4) utilizaban el acetato, mezclas de H2 y CO2 entre otros sustratos para su metabolismo. Los términos con que se han identificado estas fases (acidificación y gasificación no fueron del todo correctos; por cuanto, en la primera etapa no todos los productos se forman con ácidos; así como que no todos los productos gaseosos son derivados de la llamada etapa de gasificación. Desde hace varias décadas atrás ya se había identificado que en los procesos de digestión anaerobia existen custro grupos tróficos de bacterias las cuales se les ha encasillado de acuerdo a la función desarrollada por las mismas.

Hoy se admite que en la fermentación bacteriana intervienen poblaciones microbianas diversas, en la que se distinguen cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

Etapa hidrolítica, en la biodigestión, en esta etapa se establece una hidrólisis generalizada de la materia orgánica compleja adicionada al digestor, realizada por enzimas producidas por diversas bacterias: proteolíticas, lipóticas y carbolíticas, que destruyen inicialmente las proteínas, grasas y carbohidratos presentes, las cuales convierten en otros productos como el ácido acético, H2, CO2, compuestos monocarburados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados.

La hidrólisis es una etapa que incide en gran medida en la obtención de biogás y el líquido residual, ya que acelerando dicho procesos se logra una secuencia de tarea de las bacterias involucradas en la digestión.

Etapa de acidogénesis, es el producto de la primera etapa, es tomado por un segundo tipo de bacterias, conocidas generalmente como acidogénicas, que transforman la materia orgánica hidrolizada en ácidos orgánicos de bajo peso molecular, principalmente ácido acético (CH3COOH) y ácido propiónico. Estas bacterias acetogénicas productoras de hidrógenos, las cuales incluyen obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden transformar los productos del primer grupo, los ácidos orgánicos de más de dos átomos de carbono, por ejemplo el butírico y el propiónico y los alcoholes policarbonados como el etanol y el propanol en hidrógeno y acetato. Sguidamente se activa la tercera

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http://es.wikipedia.org/wiki/Escherichia_coli


etapa en donde procesan las bacterias homoacetogénicas las cuales pueden convertir un espectro amplio de compuestos multi o monocarburados en ácido acético.

Etapa Metanogénica, en ésta etapa las bacterias metanogénicas transforman todos estos compuestos en gas metano y dióxido de carbono. El comportamiento microbiológico es más complejo que en las anteriores etapas; dentro de un Biodigestor en operación ocurren una multitud de reacciones y fermentaciones simultáneas de docenas de bacterias diferentes, que trabajan de forma simbiótica y elaboran gran variedad de productos que a su vez son tomados por otras bacterias que los transforman en otros grupos. Por lo anterior con el biogás podemos encontrar trazas de hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), Ácido Sulfhídrico (H2S), entre otros.

Casi un 75% del metano producido en el proceso, proviene del ácido acético elaborado en los pasos intermedios. El Hidrógeno producido por algunas bacteria se recombina en forma casi instantánea con el CO2 para formar metano y agua en un proceso llamado biometanización.

Una vez establecida la reacción metanogénica total, con la adición de las bacterias adecuadas en cantidad y calidad suficientes; y una vez que se haya estabilizado el pH de la misma por encima de 7.2 la reacción es muy estable. Y continua hasta que la mayor parte o casi toda la materia orgánica haya sido digerida; o hasta que se de algún cambio que paralice el proceso.

¿Qué es un “Biodigestor”?

Un Biodigestor es un sistema que se utiliza para convertir desechos orgánicos (excremento, frutas y vegetales) en gas metano y fertilizantes naturales con alto contenido de nitrógeno, fósforo y potasio.

Se le llama Biodigestor ya que el proceso que convierte los desechos en gases útiles, se basa en la digestión sin oxígeno (anaerobia) de las bacterias.

En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como excremento y desechos

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vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno.

El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce, una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás y, por otra parte el biol, un fertilizante orgánico muy útil para los cultivos, ya que mejora su calidad y rendimiento.

Los biodigestores son de gran utilidad en las zonas en las que no hay suficientes recursos o infraestructura para comprar gas, o bien en los lugares en los que no hay material para la combustión (madera, carbón, etc.).

El tamaño del biodigestor radica en el uso que se le va a dar al material que se genere, y a la cantidad de desechos que se le va a introducir, si se generará demasiado producto es necesario tener un tanque para almacenar el gas resultante y el fertilizante.

Para utilizar el biodigestor se requiere llenar completamente las tuberías con desechos y agua para hacer un lodo que selle el ambiente.

Los biodigestores son un descubrimiento sumamente sencillo, que puede ser un factor determinante en la calidad de vida de muchas personas, y también hacer un impacto muy favorable en el medio ambiente.

Componentes de un Biodigestor

El digestor cuenta con cuatro componentes básicos:

PILETA O TANQUE DE CARGA : En la pileta de carga se deposita y homogeniza la mezcla, añadiéndole agua, con lo que se alimenta el digestor. Esta pileta es pequeña y de poca profundidad, y generalmente de forma rectangular, la mezcla pasa por un tubo o dos, que la comunica con la línea central del tanque digestor propiamente dicho.

TANQUE DIGESTOR : Es un tanque cerrado herméticamente, de cualquier forma y tamaño, definido por el diseño del Biodigestor en función de las preferencia del usuario y de las facilidades que se tengan en su construcción. Siendo los de forma rectangular los menos recomendables, ya que requieren

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mayor cantidad de materiales de construcción y en su interior la mezcla presenta zonas de diferente constitución, lo que implica menor eficiencia.

Generalmente los biodigestores se construyen bajo el nivel del suelo para lograr un adecuado aislamiento térmico. Por un extremo está conectado con la pileta de carga, mediante uno o dos tubos, y por el otro con la pileta de descarga, mediante otro u otros dos tubos. En la tapadera superior tiene conectada una pequeña tubería de metal para la evacuación del gas producido, hacia el tanque de almacenamiento.

PILETA, TANQUE Y POZO DE DESCARGA : En la pileta y pozo de descarga se recibe la mezcla ya procesada que sale del tanque digestor mediante el principio de vasos comunicantes, la presión del material que entra expulsa por el tubo descarga una cantidad igual de material ya procesado (en algunos casos se emplean bombas).

El tanque de descarga es de forma rectangular, se los suele hacer de ladrillo, con su superficie interna pulida.

Este pozo es hondo y su profundidad es mayor que la del tanque digestor. Por arriba es abierto para que sea posible recoger y retirar el bioabono. En algunos casos suele emplearse como tanque decantación para separar la fase líquida del residuo de su fase sólida.

SISTEMA CONDUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DEL GAS : El sistema de conducción del biogás está constituido por una serie de tuberías que se encargan de transportar el gas desde la parte superior deel digestor hasta el lugar de almacenamiento del gas, estás tubería pueden tener diversas dimensiones en función del flujo de gas y la distancia que se deba transportar. Generalmente se los construye de PVC o cualquier otro material que no sea reaccionante con el ácido sulfhídrico.

El almacenamiento del gas puede darse en gasómetros, en cualquier recipiente hermético separado del digestor o sobre la boca del digestor; el gas se almacena con el fin de tener suficiente en el momento en que se lo requiera.

Además de los caños, y el gasómetro, se debe incorporan a este sistema válvulas que brinden seguridad respecto a posibles fugas (como mínimo suelen instalarse dos, ya sea de PVC o acero inoxidable); y también trampas que permitan purificar el gas antes de su uso, estas son de dos tipos:

1. Trampas de Ácido Sulfhídrico, son recipientes herméticos, de difícil corrosión, de diferente forma y tamaño, rellenos con material de hierro finamente dividido como un lecho poroso, en donde las moléculas de H 2S reaccionan con el metal, quedando retenidas.

2. Trampas de Agua, en su forma y estructura son similares a las trampas de ácido sulfhídrico, pero sin el relleno metálico, el agua arrastrada por el gas se separa cuando este pasa por una sección de tubo más extensa y luego otra más delgada, de manera repentina.

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Funcionamiento del Biodigestor

Lo que hace el biodigestor es muy similar a lo que hacen los intestinos, es decir proporcionar un ambiente con condiciones de temperatura de entre 20 y 60 grados Celsius, libre de oxígeno y con un pH neutro para que las bacterias que ya están en los excrementos o en algunas materias orgánicas descompongan la materia orgánica en metano (biogás) y abono.

La mezcla en estado anaerobio de desechos orgánicos con agua en el interior del Biodigestor, por la acción de las bacterias metanogénicas, que originan gas metano; y consumen el carbono y el nitrógeno de nuestros desechos; producirá una mezcla de gases. Esta producción no es contante, y es un proceso que dura, más o menos, el tiempo de retención (tiempo que debe permanecer la materia en el proceso de digestión) estimado según la temperatura de trabajo y otros factores que influencian el proceso. De esta forma, en un kilo de desechos se irá produciendo la digestión de forma gradual a los largo del tiempo de retención al que esté sometido.

A la mezcla de gases producida se le llama biogás, el cual es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico (es decir sin oxígeno) los malos olores son eliminados.

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Factores que afectan el funcionamiento de un Biodigestor

Varios pueden ser los factores ambientales, químicos y biológicos que pueden afectar el buen rendimiento y eficiencia de un sistema digestor, ya que se los considera sistemas con múltiples variables; entre ellos tenemos:

Factores Químicos

1. pH del medio: El valor óptimo de pH se halla entre valores de 6.6 a 7.6, es decir cercanos a la neutralidad. Los ácidos grasos producidos durante la digestión, disminuyen el pH de la fase líquida del digestor. Si las bacterias metanogénicas no pueden degradar estos ácidos, tan rápido como son producidos por las bacterias acetogénicas, se acumulan y se verá marcada dicha reducción de pH.Para poder regular este factor existen algunas maneras de estabilizarlo, si existe un exceso de ácidos, se detiene la carga del digestor hasta que las bacterias lo reduzcan. Si no se desea detener el ritmo de carga se pueden adicionar sustancias tampones (alcalinas) que aumenten el pH de la mezcla; por ej. el carbonato de calcio o el carbonato de sodio. Aunque obviamente estos requerimientos cambian según el tipo de materia que se esté procesando. (Nota: Al emplear carbonato de calcio se sugiere en forma general que su concentración aproximada sea 1.5 g/l o superior).

2. Toxicidad: La presencia de elementos tóxicos aún en pequeñas concentraciones puede ser muy dañina, ya que puede afectar el crecimiento de flora bacteriana, necesaria para la digestión.De presentarse una alta cantidad de productos tóxicos, que afecten a las bacterias metanogénicas, el proceso completo puede detenerse y fracasar.Un compuesto muy común que en grandes cantidades afecta la biodigestión es el nitrógeno, en contrapartida la presencia aún reducida de algunos iones metálicos, sustancias herbicidas o sintéticas, afectan de igual manera la operación del digestor.De allí la importancia de escoger correctamente el tipo de desechos que se introducen al tanque de digestión, p. ej no todos los efluentes domésticos son utilizables, aquellos que presentan trazas de jabón, no pueden ser degradados por las bacterias anaerobias.

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Una forma de evitar inconvenientes de toxicidad, es ligando el empleo de biodigestores con un meticuloso reciclaje y separación de la basura.

3. Nutrientes: La sola presencia de carbono y agua, no basta para una buena eficiencia del Biodigestor, ya que las bacterias responsables del proceso requieren además nitrógeno (en pequeñas cantidades), fósforo, entre otros factores para un buen crecimiento y desarrollo.De toda la gama de bacterias requeridas en la biodigestión, las bacterias metanogénicas, son las que en mayor número se ven afectadas por esta necesidad nutritiva. Esto implica que para cada sustancia orgánica su ritmo de degradación será diferente.

4. Potencial Redox: El óptimo potencial redox de la mezcla, para una operación eficiente es de -350mV.

Factores Físicos y Ambientales

1. Temperatura: Las reacciones químicas y bioquímicas que ocurren al interior del tanque digestor, se ven influenciadas por la temperatura a la que se hallan, temperaturas muy altas o muy bajas afectan al desarrollo de la vida bacteriana necesaria para el proceso.Uno de los grupos de bacterias que más comprometidos se hallan con el factor temperatura son las bacterias metanogénicas, a las que los cambios bruscos de la misma pueden llevarlas a alteraciones de sus ciclos vitales, y por lo tanto afectar la eficiencia del proceso de digestión.En algunas ocasiones, en la materia orgánica del digestor pueden hallarse dos tipos de bacterias las mesofílicas y las termofílicas, las cuales en intervalos de temperatura específicos se encargan de la mayor parte de la producción de metano.(Bacterias Mesofílicas: 20-45 °C; Bacterias Termofílicas: 35 a 55 °C).En los casos en que la construcción del Biodigestor deba darse en zonas en que las temperaturas varían de forma brusca o, que poseen temperaturas de cierto modo extremas, se debe considerar el dotar al tanque de digestión de un aislamiento térmico, de acuerdo a cada caso.Sin embargo se considera que los mejores lugares o áreas geográficas donde se pueden construir los digestores son aquellas cuya temperatura media sea mayor a 21°C, es decir climas cálidos.

Otros factores

1. Ritmo de Carga: La concentración de materia orgánica en la mezcla del digestor es un factor significativo para el buen rendimiento del proceso. Ya que antes de introducir la materia orgánica en el tanque ésta requiere ser diluida, existen ciertos límites de concentración, en la mezcla.La experiencia ha demostrado que la concentración de materia seca (orgánica), va en función de la temperatura del medio, para lograr la mayor eficiencia. Así en época de verano (25 a 27 °C) la concentración debe ser de aproximadamente el 6%, mientras en épocas más frías (18 a 22 °C) la concentración de estar cercana al 12%. Obviamente esto también depende de la composición química de la materia, por lo que no se pueden emplear para la producción de biogás restos de animales o vísceras, que poseen largos períodos para su degradación.

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2. Tiempo de Retención: Esencialmente y de manera lógica, si la materia a ser digerida permanece más tiempo en el tanque se podrá maximizar la obtención de metano por unidad de volumen de la mezcla, así a un mayor tiempo permanezca la materia orgánica en el proceso de digestión mejor y mayor será la cantidad de biogás.En sistemas digestores más complejos, o digestores de última generación se deben incluir ciertos índices para regular este factor de tiempo.

3. Método de Carga: Se refiere a que si un Biodigestor fue diseñado para que su carga se de en ciertos intervalos de tiempo, estos no pueden ser excedidos. Si el tiempo de la carga del digestor es forzada, esto puede conllevar a enlentecer o detener el proceso de producción de biogás, ya que con un exceso de materia las bacterias no tienen el suficiente tiempo para degradarla y mantener en ritmo constante la producción de biogás.

4. Agitación: En función de la tipología de reactor (Tanque digestor) debe transferirse al sistema una cierta cantidad de energía, y movimiento con la finalidad de homogenizar la mezcla y favorecer una mejor acción del as bacteria sobre todo el material.

5. Virus: La presencia de virus dañino en los restos orgánicos, puede afectar en gran medida la producción de biogás, ya que estos podrían desplazar o atacar a las colonias de bacterias dañando de manera irremediablemente el proceso, requiriendo de una inmediata limpieza del tanque de digestión.

Características Fundamentales de los Biodigestores

En función de los factores analizados podríamos decir que los biodigestores deben cumplir por los menos con algunos factores, para una buena eficiencia y seguridad.

Hermético, para evitar fugas del biogás o entradas de aire. Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de temperatura. El contenedor primario de gas deberá contar con una válvula de

seguridad. Deberán tener acceso para mantenimiento. Deberá contar con un medio para romper las natas que se forman,

agitador

Clases de Biodigestores

Biodigestores y Plantas de Biogás

En forma general podríamos hablar de dos tipos generales de digestores, los biodigestores caseros (de pequeña y mediana escala) y las plantas biogás (de gran escala o escala industrial).

En primer lugar los biodigestores caseros, como su nombre lo indica son empleados generalmente de forma doméstica en hogares rurales o pequeñas comunidades, se caracterizan porque el volumen de materia que pueden procesar es bajo o moderado,

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proveniente generalmente de los desechos del hogar o de pequeñas industrias agropecuarias. Generalmente se construyen con materiales de bajo costo o materiales reciclados. Y su destino es casi siempre la producción de biogás para consumo local. El sistema de digestión se lo construye con parámetros técnicos básicos, en muchos casos se halla a merced del ambiente, y no requieren de un gran conocimiento para su operación.

Las plantas de biogás son verdaderos complejos industriales, de mediano a gran alcance, que poseen en algunos casos tecnología sofisticada para su funcionamiento y requieren de técnicos para su puesta en marcha.

Este tipo de industrias, realizan los mismos procesos que los digestores caseros, pero requiriendo un volumen más grande de desechos para sus procesos, al igual que una mayor infraestructura, de allí que sean instaladas en zonas de alta actividad agrícola o cerca de grandes complejos agropecuarios, que puedan aportar ese volumen necesario de material.

Requieren no solo de la instalación de digestores, sino también de una planificación y estrategia muy detalladas, ya que en muchos casos estas industrias no solo se encargan de la producción de biogás sino también de otros derivados como el biol o el bioabono. Además de la generación de energía eléctrica y térmica con el aprovechamiento del biogás.

De manera general el montaje de estas plantas requiere fuertes inversiones de dinero en técnicos, materiales y recursos, para asegurar minimizar de forma rotunda la influencia de los diferentes factores (químicos, ambientales, etc.) en sus índices de producción, así por ej, para obtener de la manera más rápida el biogás se emplean sustratos o enzimas que aceleren los ciclos de las bacterias.

Dependiendo de la magnitud del complejo industrial, puede también darse el caso de la comercialización de biogás directa para el consumo humano, éste puede difundirse a mayor escala, que la local, como era en el caso de los biodigestores caseros.

Debido a la creciente demanda de energías más limpias, en muchos países la inversión en este tipo de plantas van en aumento y las empresas dedicadas a brindar servicios de este tipo se muestran como muy rentables.

En lo que se refiere a biodigestores caseros podemos citar algunos tipos, dependiendo de dos características fundamentales, que le otorgan a cada uno; un cierto grado de ventajas y desventajas.

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Según el flujo de material:

Biodigestores de flujo discontinuo

La carga de la totalidad del material a fermentar se hace al inicio del proceso y la descarga del efluente se hace al finalizar el proceso; en intervalos de tiempo que varían según el tiempo de carga requerido por el digestor para completar la digestión, por lo general requieren de mayor mano de obra y de un espacio para almacenar la materia prima si esta se produce continuamente y de un depósito de gas, que mantenga una presión constante del mismo y pueda ser transportado y utilizado con facilidad.

Biodigestores de flujo continuo

La carga del material a fermentar y la descarga del efluente se realiza de manera continua o por pequeños baches (ej. una vez al día, cada 12 horas) durante el proceso, que se extiende indefinidamente a través del tiempo; por lo general requieren de menos mano de obra, pero de una mezcla más fluida o movilizada de manera mecánica (agitación) y de un depósito de gas (si este no se utiliza en su totalidad de manera continua). Existen tres clases de biodigestores de flujo continuo.

1. De cúpula fija2. De cúpula móvil3. De salchicha , Taiwan, CIPAV o biodigestores familiares de bajo costo

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Biodigestor de Flujo Discontinuo Biodigestor de Flujo Continuo

Según la estructura del tanque de digestión:

Biodigestores tipo salchicha, Taiwán, CIPAV o biodigestores familiares de bajo costo

Los biodigestores familiares de bajo costo han sido desarrollados y están ampliamente implementados en países del sureste asiático, pero en Sudamérica, solo países como Cuba, Colombia, Brasil y Costa Rica tienen desarrollada esta tecnología. Estos modelos de biodigestores familiares, construidos a partir de mangas de polietileno tubular, se caracterizan por su bajo costo, fácil instalación y mantenimiento, así como por requerir sólo de materiales locales para su construcción. Por ello se consideran una ‘tecnología apropiada’.

La falta de leña para cocinar en diferentes regiones de Bolivia hacen a estos sistemas interesantes para su difusión, divulgación y diseminación a gran escala. Las familias dedicadas a la agricultura, suelen ser propietarias de pequeñas cantidades de ganado (dos o tres vacas por ejemplo) y pueden, por tanto, aprovechar el estiércol para producir su propio combustible y un fertilizante natural mejorado. Se debe considerar que el estiércol acumulado cerca de las viviendas supone un foco de infección, olores y moscas que desaparecerán al ser introducido el estiércol diariamente en el biodigestor familiar. También es importante recordar la cantidad de enfermedades respiratorias que sufren, principalmente las mujeres, por la inhalación de humo al cocinar en espacios cerrados con leña o bosta seca. La combustión del biogás no produce humos visibles y su carga en ceniza es menor que el humo proveniente de la quema de madera.

En el caso de Bolivia, donde existen tres regiones diferenciadas como altiplano, valle y trópico, esta tecnología fue introducida en el año 2002 en Mizque, (2200 m.s.n.m. Cochabamba) como parte de la transferencia tecnológica a una ONG cochabambina. Desde entonces, en constante colaboración por Internet con instituciones de Camboya, Vietnam y Australia y la ONG de Cochabamba, estos sistemas han sido adaptados al altiplano. La primera experiencia fue en el año 2003 instalando un biodigestor experimental a 4100 m.s.n.m. que aprovechaba el efecto invernadero. Este

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diseño preliminar sufrió un desarrollo para abaratar costes y adaptarlo a las condiciones rurales manteniendo el espíritu de tecnología apropiada. Este modelo de biodigestor consiste en aprovechar el polietileno tubular (de color negro en este caso) empleado en su color natural transparente en carpas solares, para disponer de una cámara de varios metros cúbicos herméticamente aislada. Este hermetismo es esencial para que se produzca la reacciones biológicas anaeróbias.

El film de polietileno tubular se amarra por sus extremos a tuberías de conducción, de unas seis pulgadas de diámetro, con tiras de liga recicladas de las cámaras de las ruedas de los autos. Con este sistema, calculando convenientemente la inclinación de dichos tuberías, se obtiene un tanque hermético. Al ser flexible el polietileno tubular es necesario construir una ‘cuna’ que lo albergue, ya sea cavando una zanja o levantando dos paredes paralelas. Una de las tuberías servirá como entrada de materia prima (mezcla de estiércol con agua de 1:4). En el biodigestor se alcanza finalmente un equilibrio de nivel hidráulico, por el cual, tanta cantidad de estiércol mezclado con agua es agregada, tanta cantidad de fertilizante sale por la tubería del otro extremo.

Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo. Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente una acetogénesis y finalmente la metanogénesis por la cual se produce metano. El producto gaseoso llamado biogás, realmente tiene otros gases en su composición como son dióxido de carbono (20-40%), nitrógeno molecular (2-3%) y sulfhídrico (0,5-2%), siendo el metano el más abundante con un 60-80%.

La conducción de biogás hasta la cocina se hace directa, manteniendo todo el sistema a la misma presión: entre 8 y 13 cm de columna de agua dependiendo la altura y el tipo de fogón. Esta presión se alcanza incorporando en la conducción una válvula de seguridad construida a partir de una botella de refresco. Se incluye un ‘tee’ en la conducción, y mientras sigue la línea de gas, el tercer extremo de la tubería se introduce en el agua contenido en la botella de 8 a 13 cm. También se añade un reservorio, o almacén de biogás, en la conducción, permitiendo almacenar unos 2 a 3 metros cúbicos de biogás.

Estos sistemas adaptados para altiplano han de ser ubicados en ‘cunas’ enterradas para aprovechar la inercia térmica del suelo, o bien dos paredes gruesas de adobe en caso que no se pueda cavar. Además se les encierra a los biodigestores en un invernadero de un sola agua, soportado sobre las paredes laterales de adobe. En el caso de biodigestores de trópico o valle, el invernadero es innecesario pero se ha de proteger el plástico con una semi-sombra.

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Los costes en materiales de un biodigestor pueden variar de 110 dólares para trópico a 170 dólares para altiplano, ya que en la altura tienen mayores dimensiones y requieren de carpa solar.

Biodigestor del domo flotante (Indio)

Este biodigestor consiste en un tambor, originalmente hecho de acero pero después reemplazado por fibra de vidrio reforzado en plástico (FRP) para superar el problema de corrosión. Normalmente se construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque a veces se usa refuerzo en hormigón y recubrimiento de mampostería. Este tipo de Biodigestor va total o parcialmente enterrado como forma de aislamiento y de ayudar a la resistencia de las paredes. Se entrampa el gas producido bajo una tapa flotante que sube y se cae en una guía central. La presión del gas disponible depende del peso del poseedor de gas por el área de la unidad y normalmente varía entre 4 a 8 cm de presión de agua. El reactor se alimenta semi-continuamente a través de una tubería de entrada.

Biodigestor de domo fijo (Chino)

Este reactor consiste en una cámara de gas-firme construida de ladrillos, piedra u hormigón, y totalmente enterrada. La cima y fondos son hemisféricos y son unidos por lados rectos. La superficie interior es sellada por muchas capas delgadas de mortero o mampostería para hacerlo firme. La tubería de la entrada es recta y extremos nivelados. Hay un tapón de la inspección a la cima del digestor que facilita el limpiado. Se guarda el gas producido durante la digestión bajo el domo y cambia de sitio algunos de los volúmenes del digestor en la cámara del efluente, con presiones en el domo entre 1 y 1.5 m de agua. Esto crea fuerzas estructurales bastante altas y es la razón para la cima hemisférica y el fondo. Se necesitan materiales de alta calidad y recursos humanos costosos para construir este tipo de biodigestor. Más de cinco millones de biodigestores se ha construido en China y ha estado funcionando correctamente (FAO, 1992) pero, desgraciadamente, la tecnología no ha sido tan popular fuera de China.

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http://www.taringa.net/tags/biodigestores


Esta instalación tienen como ventaja su elevada vida útil (pueden llegar como promedio a 20 años), siempre que se realice un mantenimiento sistemático.

Algunas dificultades que presentan este tipo de biodigestores:

Si posee tamaño reducido no puede soportar la presión interna del gas, requiere volúmenes relativamente amplios.

Cuando la presión del gas de llega a su pico más alto, las paredes tienden a volverse permeables, lo que dificulta en ciertos casos el manejo del gas.

APLICACIONES:

Respecto a los biodigestores podemos, hablar de los usos de los productos de los mismos (biogás y biol); así como de las aplicaciones de la respiración anaerobia, en otros procesos.

Aplicando mismas técnicas de los biodigestores pero a mayor escala (plantas de tratamiento de desechos), muchas personas logran conseguir remediar problemas de tipo ecológico o sanitario de una forma sustentable y amigable con el medio ambiente, además en un buen porcentaje con mejoras no solo en su calidad de vida sino también en su nivel económico.

Aplicaciones de la digestión anaerobia

La digestión anaerobia tiene aplicaciones esencialmente para lo que es el tratamiento desechos, no solo residuos sólidos como en el caso de los

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Esquema del digestor chino: 1. tubería de salida del gas; 2. Sello removible; 3. Tapa móvil; 4. Entrada; 5. Tanque de

desplazamiento; 6. Tubería de salida; 7. Almacenamiento de gas; 8. Materia orgánica.


biodigestores, también para la transformación y descomposición de lodos o residuos líquidos de aguas contaminadas.

Plantas de Tratamiento

La materia orgánica es contaminante de los ríos y reservas de agua; debido a que las bacterias que la destruyen para alimentarse, absorben oxígeno del agua en la cual se descarga. En estas condiciones, las bacterias pueden llegar a remover tanto oxígeno que la vida aeróbica desaparece y las aguas mueren.

A pesar de ello, la digestión anaerobia ha sido empleada durante muchos años en el tratamiento de efluentes industriales con altas concentraciones de materia orgánica, así como en la estabilización de lodos biológicos.

Precisamente en muchas plantas de tratamiento se emplean bacterias, para que descompongan los tóxicos que se hallan en las aguas, en sustancias menos dañinas, y más fáciles de ser removidas de las mismas.

Este proceso comprende dos fases, una primera en la que se forman ácidos volátiles y una segunda en que las bacterias producen gas metano a partir de dichos ácidos, todo esto en ausencia de oxígeno molecular (O2).

Ya que la digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, y sin presencia de un oxidante en el proceso, se tiene que la DQO (concentración de la materia orgánica) teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). Por lo tanto resulta claramente, una importante reducción en la cantidad de contaminantes, disueltos en el agua y una muy eficiente forma de eliminarlos.

La forma en que se disponen la biomasa de bacterias, puede variar dependiendo de diferentes factores, o requerimientos, así pues tal como sucede con los biodigestores pueden presentarse variantes en la manera de tratamiento de aguas mediante este tipo de procesos.

Como resultado de todo este paso se obtienen agua, gas metano, gas sulfhídrico, gas carbónico y por supuesto algunos residuos que no pudieron digerirse del todo, pero pueden ser reducidos por otros métodos.

Aplicaciones del Biogás

El biogás, también llamado gas de los pantanos; es el producto gaseoso de la digestión anaerobia de compuestos de origen orgánico, como ya se ha mencionado.

Su composición, que depende del sustrato con el que se produce y del tipo de tecnología utilizada, puede ser la siguiente:

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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.

Salvo por el contenido en H2S, puede considerarse un combustible ideal y limpio.

El biogás se utiliza como combustible de origen renovable, alternativo, al gas de origen fósil; con ésta premisa 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.

Obviamente la utilidad del biogás depende directamente de la cantidad, el volumen y el rendimiento con que sea producido, porque los parámetros de producción a escala doméstica no van a ser los mismos que a una escala industrial.

Al producirse a escala industrial, su uso más común es el de alimentar motores para generar electricidad limpia. La electricidad producida puede ser vertida a la red eléctrica, o autoconsumirse. Al mismo tiempo el calor generado en el motor,

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puede aprovecharse en procesos industriales, para calefacción e incluso para la producción de frío.

En el caso de biodigestores domésticos puntualmente, los usos que se le dan son esencialmente como una forma de reemplazar parcialmente o totalmente al gas comercial, y por supuesto en algunas ocasiones también, para la generación de electricidad, para consumo familiar.

ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)Quemador de cocinaLámpara a mantilla (60W)Heladera de 100 LMotor a gasquemador de 10 kWInfrarrojo de 200 WCogenerador

300 - 600 l/h120 - 170 l/h-30 - 75 l/h

0,5 m 3 /kWh2 m 3 /h

30 l/h1 kW elect. 0,5 m/kwh

2kW térmica

50 - 6030 - 5020 - 3025 - 3080 - 9095 - 99

Hasta 90

La aplicación de biogás, como fuente de energía para el funcionamiento de algunos aparatos domésticos, permite mejorar el aprovechamiento del mismo:

Las cocinas y calentadores son fácilmente modificables, agrandando el paso del gas de los quemadores. La amplia disponibilidad de este tipo de equipos hace promisoria e interesante su utilización a gran escala en los hogares especialmente de zonas rurales.

Las lámparas a gas tienen una muy baja eficiencia y el ambiente donde se las utilice debe estar adecuadamente ventilado para disipar el calor que generan.

Las heladeras domésticas constituyen un interesante campo de aplicación directo del biogás debido a que tienen un consumo parejo y distribuido a lo largo de las 24 horas del día lo cual minimiza la necesidad de almacenaje del gas. Estos equipos funcionan bajo el principio de la absorción (generalmente de ciclo amoníaco refrigerante - agua absorbente). Recientemente se han desarrollado equipos para el enfriamiento de leche y/u otros productos agrícolas lo que abre un importante campo de aplicación directa y rentable del mismo.

Los quemadores infrarrojos comúnmente utilizados en la calefacción de ambientes (especialmente en criadores y parideras) presentan como ventaja su alta eficiencia lo cual minimiza el consumo de gas para un determinado requerimiento térmico.

El biogás también puede ser usado en motores, aunque obviamente presenta ventajas y desventajas:

En motores de combustión interna tanto a gasolina como diesel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo

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cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.

En los motores de Ciclo Otto el carburador convencional es reemplazado por un mezclador de gases. Estos motores son arrancados con nafta y luego siguen funcionando con un 100% de biogás con una pérdida de la potencia máxima del 20% al 30%.

A los motores de Ciclo Diesel se les agrega un mezclador de gases con un sistema de control manteniendo el sistema de inyección convencional. De esta manera estos motores pueden funcionar con distintas proporciones de biogás diesel y pueden convertirse fácil y rápidamente de un combustible a otro lo cual los hace muy confiables. El gasoil no puede ser reemplazado en los motores funcionando a campo del 85% al 90%, debido a que la autonomía conseguida es menor comparada con la original.

Los motores a biogás tienen un amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área rural. El otro uso muy generalizado es su empleo para activar generadores de electricidad.

Un párrafo aparte merecen los sistemas de cogeneración. Dichos sistemas buscan la mayor eficiencia en el aprovechamiento de la energía contenida en el biogás.

En estos casos la potencia mecánica provista por el eje del motor es aprovechada para generar electricidad a través de un generador. Simultáneamente y por medio de una serie de intercambiadores de calor ubicados en los sistemas de refrigeración (agua y aceite) del motor y en la salida de los gases de escape, se recupera la energía térmica liberada en la combustión interna. De este modo se logra un mejor aprovechamiento de la energía.

La difusión de estos sistemas estará condicionada por la rentabilidad final. Sin embargo representa la utilización más racional del biogás ya que se obtiene una forma de energía extremadamente dúctil como la electricidad al mismo tiempo que una fuente de calor muy necesaria para la calefacción de digestores en zonas frías.

El uso vehicular del biogás es posible y en la realidad se ha empleado desde hace bastante tiempo. Sin embargo su difusión está limitada por una serie de problemas:

A fin de permitir una autonomía razonable el gas por su volumen debe ser almacenado en contenedores cilíndricos de alta presión (200 a 300 bar.); este tipo de almacenamiento implica que el mismo deba ser purificado antes de su compresión.

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La conversión de los motores es cara y el peso de los cilindros disminuye la capacidad de carga de los vehículos.

La presencia de H2S causa deterioros en las válvulas de admisión y de escape de determinados motores obligando a un cambio más frecuente de los aceites lubricantes. El grado de deterioro en los motores varía considerablemente.

Por último la falta de una adecuada red de abastecimiento y la energía involucrada en la compresión a gran escala para este tipo de uso.

Aplicaciones del Biol o Bioabono

Es un abono orgánico líquido, que no presenta olor, resultado de la descomposición de los residuos animales y vegetales en ausencia de oxígeno (respiración anaerobia); que contiene nutrientes que son asimilados fácilmente por las plantas.

Fertilizante

Por lo que es comúnmente usado como fertilizante en diversos cultivos, por su alto valor nutritivo se lo emplea con preferencia en cultivos anuales.

Esta alta calidad como abono radica en que después de ocurrido el proceso de biodigestión, todos los nutrientes y más de la mitad de la materia orgánica permanecen en el mismo.

Insecticida

El biol por sus componentes, puede actuar como agente fitosanitario en cosechas, al mismo tiempo que las fertiliza, y ya que carece de olor no atrae insectos.

Piscicultura

También este biol, por su alto contenido de nutrientes, puede ser empleado en la crianza y cultivo de peces.

DIFUSIÓN DE LOS BIODIGESTORES

El proceso de la biodigestión como una forma de reemplazar el uso de combustibles fósiles y un medio para el ahorro económico, si bien es cierto ha sufrido un gran impulso en muchos países como Alemania, Francia Estados Unidos o Brasil. No es una práctica generalizada o una conocida por todos los que deberían implicarse con ella.En la mayor parte de países Latinoamérica, la iniciativa de los biodigestores, se ha orientado más hacia la implementación de los mismos, a nivel doméstico en comunidades donde los recursos energéticos son escasos o en lugares donde los

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servicios básicos son muy difíciles de ser implementados, p. ej. el altiplano boliviano, los páramos peruanos o la Patagonia Argentina.

O en otros casos un poco más aislados si se han hecho inversiones fuertes respecto a la construcción de centros industriales para la producción de biogás, como en Brasil, Argentina o Cuba (la cual lleva más de 10 años en la investigación y desarrollo de sistemas de Biodigestión).

En el caso del Ecuador se han dado iniciativas para la implementación de estos sistemas digestores, provenientes especialmente de las universidades y ONG´s; y en un tiempo más reciente por parte del Gobierno, a través del Ministerio de Electricidad y Energías Renovables (MEER); los cuales desde la capacitación técnica y promoción entre los campesinos especialmente han logrado el generar proyectos cooperativos o comunitarios para hacer de la producción de biogás, una alternativa de desarrollo sustentable.

Así también son cada vez más el número de empresas o microempresas que se estructuran para brindar no sólo capacitación, sino también montaje de este tipo de sistemas, lo cual hace de esto un potencial y prometedor negocio. De hecho América Latina se está convirtiendo de a poco en un nicho para las inversiones verdes, de proyectos relativos a energía renovable.

La clave para una buena difusión de la biodigestión, no solo en el campo sino también en las ciudades es la educación y concientización sobre la importancia de invertir e interesarse por estas alternativas a la energía convencional, pero no de una manera aislada sino como un conjunto que de la mano con otras acciones (p. ej el reciclaje) pueden ayudar a hacer del futuro de los pueblos y comunidades, un futuro más esperanzador de respeto al medio ambiente, no sólo para ellos sino para todo el planeta.

RECOMENDACIONES:

Al hacer la instalación de un biodigestor hay que tener en cuenta que pueden existir posibles riesgos de contaminación y escape, por lo cual se deberá instalar al mismo tiempo un dispositivo de seguridad. Un ejemplo de estos dispositivos es la trampa de agua.

La difusión de biodigestores requiere de políticas estatales que capaciten y den información respecto a esta forma de energía renovable por medio de la reutilización de desechos.

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La construcción de un biodigestor debe estar en función de las características físicas y ambientales del lugar donde se va a instalar.

CONCLUSIONES:

El uso de los biodigestores, podría contribuir a la reducción de los problemas de contaminación de las aguas residuales por excretas, mantener un equilibrio ambiental y mejorar la estructura del suelo, además el uso del biogás para la generación de electricidad y de energía térmica da un valor adicional al empleo de los mismos.

El ciclo desarrollado en los biodigestores es un proceso sustentable, al igual que amigable con el medio ambiente, ya que no genera residuos tóxicos de ningún tipo, siendo una las fuentes de energía renovable más eficaces.

En el caso de las comunidades agrarias, los biodigestores pueden jugar un papel importante en sistemas de cultivo integrados contribuyendo a la reducción de polución y agregando valor a los excrementos del ganado.

En las empresas agropecuarias los biodigestores ofrecen grandes ventajas para el tratamiento de los desechos orgánicos de las explotaciones agrícolas y pecuarias, además de disminuir la carga contaminante de los mismos, extrae gran parte de la energía contenida en el material mejorando su valor fertilizante y controlando, de manera considerable, los malos olores.

La política de algunos países está incentivando la investigación de sistemas de digestión anaerobia como una respuesta preventiva a una futura crisis energética, en los casos de países como China e India, que emplean de manera tradicional el biogás o Europa, EEUU y Argentina que están desarrollando la investigación sobre las aplicaciones del biogás. En otros o la gran mayoría las políticas ambientales son prácticamente ineficaces o no son promocionadas de una manera correcta.

BIBLIOGRAFÍA:

Msc. Ing. Químico Del Valle V. ”Biomasa, alternativa energética”. Sector

Industrial [Energética]. Octubre 2011. Suplemento Publicitario Vistazo. Pág.26-29.

Internet: http://www.ruralcostarica.com/biodigestor-2.html http://energiacasera.wordpress.com/2009/11/19/biodigestor-casero-de-bidon/ http://www.taringa.net/posts/ecologia/6384056/Biodigestor-casero-_Gas-

gratis_.html

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http://www.taringa.net/tags/biogas






http://www.youtube.com/watch?v=D_qqpHJSghQ http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081112163544AA8zSEr http://www.bioero.com/biotecnologia/%C2%BFcomo-funciona-un

biodigestor.html

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http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20081112163544AA8zSEr

http://www.youtube.com/watch?v=D_qqpHJSghQ

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