2.- informe

5/7/2018 2.- INFORME - slidepdf.com

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INTRODUCCIÓN

Este trabajo consigna el diseño y el análisis de costos, para la construcción de un

biodigestor cuya materia orgánica consiste de cascara de cacao.

Las dimensiones del biodigestor las determinan; la cantidad diaria de carga disponible, la

influencia y control de los parámetros ambientales, así como del consumo diario de biogás.

La zona del proyecto esta ubicado en Caserío Parcelación Monterrico, del Distrito de

Nieva, Provincia Condorcanqui, el objetivo es obtener biogás que pueda cubrir el consumo

mensual de energía, como gasolina para un generador eléctrico de 650W, gas (GLP) para una

refrigeradora y leña para cubrir las necesidades domesticas.

Para el diseño del biodigestor se toma consideración el consumo de energía y la

disponibilidad de materia prima. Se dispone de 134.0085 Kg de materia orgánica al día, la cual

generaría 5.6954 m3 de biogás, la que cubriría al 100 % el consumo de energía. Actualmente el

consumo de combustible fósil en las actividades domesticas asciende a 15 galones de gasolina, 4

balones de gas de 15 Kg y 380 Kg de leña, equivalente a 165.0060 m3 de biogás.



2

³DISEÑO DE UN BIODIGESTOR PARA PRODUCIR METANOMEDIANTE LA DIGESTION ANAEROBIA DE LOS RESIDUOS

ORGANICOS DEL CACAO´

CAPITULO I

MEMORIA DESCRIPTIVA

LAMBAYE QUE - AGOSTO ± 2010



3

MEMORIA DESCRIPTIVA

1.1. GENERALIDADES:

El presente proyecto define los procedimientos tomados para el diseño y construcción de

un biodigestor para producir biogás y efluentes, a través de la digestión anaerobia de la cascara

del cacao, como materia orgánica predominante.

1.2. ALCANCES:

y El proyecto comprende el estudio de los procesos que intervienen la degradación de la

materia orgánica en ausencia de oxigeno, la influencia de los parámetros ambientales, así

como también el control y manejo adecuado de los mismos.

y Se considera ladrillo y concreto como materiales para la construcción. El volumen estimado

del biodigestor es de 16.00 m3, para una producción de 5.6954 m3 de biogás al día.

1.3. CARACTERÍSTICAS GENERALES:

1.3.1. Ubicación Geográfica:

El proyecto se desarrollara en el caserío Parcelación Monterico ubicado dentro de la

jurisdicción del Distrito de Nieva, provincia de Condorcanqui, departamento de Amazonas.

El distrito de Nieva es uno de los 3 distritos de la provincia de Condorcanqui, ubicada en

el Departamento de Amazonas en el norte de este país.

Limita al norte con el distrito de Río Santiago, al este con el departamento de Loreto, al sur

con la provincia de Bongará y la provincia de Utcubamba y al oeste con el distrito de El Cenepa y

la provincia de Bagua.



4

1.3.2. Vías de acceso:

Cuadro Nº 1.1 Vais de acceso

RUTADISTANCIA

DESCRIPCIONTIEMPO

(Km) (Hrs)

CARRETERA DE PETRACIÓN170

90 Km ASFALTADA

4.5

EL REPOSO - SARAMERIZA80 Km TROCHA CARROSABLE

1.3.3. Topografía:

La topografía en toda la zona del proyecto presenta desniveles variados, el terreno es

predominantemente de cultivo.

1.3.4. Condiciones Ambientales:

En esta zona el clima es tropical. Se estima una temperatura máxima de 30 °C y una

mínima de 25. La altitud de la zona del proyecto varía hasta los 230 m.s.n.m., humedad relativa

supera el 95%, la precipitaciones pluviales bordean los 3 000 mm al año.

1.3.5. Cantidad de energía consumida:

En la finca habitan 11 personas la cual tiene un consumo mensual de 4 balones de 15 kg

de GLP usados en la refrigeración, 15 galones de gasolina para accionar un generador eléctrico

de 650 W y 350 kg de leña empleados para coser alimentos. Como propiedad existen 30 cabezas

de ganado vacuno, 60 hectáreas de terreno de las cuales 20 hectáreas son dedicadas a la

ganadería, 5 hectáreas son empleadas para el cultivo de cacao y las 35 hectáreas restantes están

cubiertas de montaña.



5

Cuadro Nº 1.2 Consumo de combustible mensual de fósil

CONSUMO DE COMBUSTIBLE MENSUAL DE FOSIL

DESCRIPCION DESIGNACION CANTIDAD UNIDADPERIODO

(Hr/d)

GLP 4 BOLONES DE 15 Kg ó 0,0284 m3 0,1136 m3 24

Leña 350Kg 350,0000 Kg 3

Gasolina 15 galones 56,7750 l 3

Cuadro Nº 1.3 Consumo mensual de biogás requerido, para la actividad domestica.

DEMANDA MENSUAL DE BIOGAS

ACTIVIDAD

COMBUSTIBLE FOSILEQUIVALENCIA

APROXIMADA DE1 m3 DE BIOGAS

CANTIDADm3

COMBUSTIBLE CANTIDAD UNIDAD

Refrigeración GLP 0,1136 m3 0,25 0,4544

Cocina Leña 350,0000 Kg 3,74 93,5829

Generador eléctricode 650 w

Gasolina 56,7750 l 0,80 70,9688

TOTAL 165,0060



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1.3.6. Descripción:

Se considerado el diseño de un digestor tipo Chino de cúpula fija.

1.3.6.1. Parámetros de Diseño:

Cantidad de materia orgánica diaria : 134.0085 Kg

Cantidad de carga diaria : 335.0212 Kg

Cantidad diaria de biogás : 5.6954 m3

Dimensiones del biodigestor : 16.00 m3

Temperatura : 30 ºC

Tiempo de retención : 32 días

Cantidad de efluente diario : 268.0169 Kg

1.3.6.2. Características Constructivas:

Tanque de carga : Ladrillo, concreto simple:

Capacidad 1 m3

Ducto de entrada : Tuvo de PVC de 6´J

Cámara de fermentación : Ladrillo, concreto simple:

Capacidad 16.00 m3

Tapa de inspección y mantenimiento : Concreto armado de 1 mJ

Ducto de descarga : Tuvo de PVC de 6´J

Tanque de descarga : Ladrillo, concreto simple:

Capacidad de 1 m3



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1.3.6.3. Transporte de gas:

Válvulas.

Trampa de acido sulfhídrico.

Trampa de agua.

Medidor de presión.

Colector de gas o gasómetro.

1.4. FINANCIAMIENTO:

El financiamiento del presente proyecto será canalizado bajo recursos propios.

1.5. PLANOS Y LAMINAS:

Cuadro Nº 1.4 Lista de planos

Nº PLANO ESCALA PAGINA

BD - 01 UBICACIÓN GENERAL DEL PROYECTO S/E 87

BD - 02 UBICACIÓN DEL AREA DEL PROYECTO S/E 88

BD ± 01/03VISTA SUPERIOR DE PLANTA DE BIOGAS

1:25 89

BD- 02/03

VISTA DE CORTE ± PLANTA DE BIOGAS

1:25 90

BD - 04 DETALLE DE TAPA DE INSPECCIÓN 1:10 91

BD - 05 COMPONENTES DE UN BIODIGESTOR S/E 92



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CAPITULO II

ANÁLISIS DE LA PROBLEMÁTICA ACTUAL




9

ANÁLISIS DE LA PROBLEMÁTICA ACTUAL

2.1. ANTECEDENTES:

El biogás es conocido y descrito desde mediados del siglo XVII* como «gas de los panta-

nos», en realidad se produce en la naturaleza siempre que haya humedad, materia orgánica y

ausencia de oxígeno. Así, se da en el intestino de los mamíferos, en el suelo de los pantanos

donde se acumulan células de vegetales, animales y microorganismos muertos, en capas pro-

fundas de los suelos de bosques y selvas donde no hay oxígeno, en los pozos ciegos donde se

acumulan excrementos, etc. La digestión anaerobia ha sido y es muy aprovechada para obtener

energía para cocinar y calentarse en países como China y la India por amplias capas des-

favorecidas de la población, aunque, con técnicas muy rudimentarias que tienen bajos rendi-

mientos. El poder calorífico del biogás depende de la concentración de metano y está alrededor de

las 5.000 Kcal/m3. Por otro lado, el residuo o efluente sólido húmedo tiene un importante contenido

en sales minerales de N. P, K, Ca. Mg. proteínas, grasas, celulosa, etc. que puede servir como

fertilizante o como alimento animal, aunque a veces es necesario proceder previamente a una

nueva fermentación aerobia, para bajar aún más el contenido en materia orgánica sin degradar.

La historia señala que Alejandro Volta fue el primer investigador en describir

científicamente la producción de gas combustible en lodos y sedimentos lacustres 1776.

En 1806 Humphrey Dauy, identificó un combustible gaseoso rico en metano y dióxido de

carbono como resultado de la fermentación desechos animales en ambiente húmedo.

Ya para 1884 Louis Pasteur al presentar los trabajos de su discípulo Gayón concluyó que

la fermentación de estiércoles podría ser una fuente de energía para la calefacción e iluminación

* Shiley en 1667



10

En 1891 Scott y Moncrieff desarrollaron las bases del reactor anaerobio ascendente con

lecho de lodo y filtro anaerobio.

En Inglaterra en el año de 1896, Donald Camerón perfeccionó el tanque séptico y utilizó el

gas que se origina en el proceso como fuente de energía.

Para el año de 1900 es puesto en funcionamiento el primer Biodigestor en Bombai - La

India

En 1901 Schegon descubrió las características de las metanobacterias, que interviene en

el proceso de metanogénesis.

En 1916 se aisló por primea vez metanobacterias. Durante el periodo comprendidote 1920

a 1925 el proceso de digestión anaerobia fue estudiado intensamente.

Para el año de 1939 la India inaugura una unidad experimental para el estudio y diseño de

sistemas de equipos que requiere la utilización del Biogas, es en este pais y en especial en la

República Popular China, donde esta tecnología se ha difundido en forma masiva en el sector

campesino, existiendo más de 7.5 millones de digestores construidos y operando.

Sin embargo la Biodigestión Aneróbica que inicialmente se había empleado para satisfacer

la demanda de energía (requerimiento de combustible), en los últimos años ha venido

demostrando su potencialidad para el tratamiento de los residuos y excretas de origen domésticos

y agropecuario, principales contaminantes del ambiente. Países como China. India, Australia,

Inglaterra, etc, han encontrado en la fermentación anaeróbica una técnica aliada en la lucha contra

la contaminación ambiental, especialmente en el área rural en donde los efluentes urbanos y

agropecuarios son transformados en sustancias inofensivas al ecosistema circundante, mejorando

la calidad de vida de sus habitantes. Asia es el continente que más instalaciones de biogás ha

construido. En 1973 se creó la Oficina de Difusión del Biogás y posteriormente el Centro Regional

de Investigación en Biogás para Asia y el Pacífico.



11

2.1.1. Contexto Mundial:

Experiencias que han sido exitosas y más representativas en otros países.

China

La China es uno de los países con más desarrollo y experiencia en la tecnología del

biogás. El gobierno empezó a impulsar esta tecnología en los años 70, logrando una gran difusión

en los últimos 20 años. Las fases en las que se clasifica son tres:

y Fase 1: En 1970, 6000 hogares usaban biogás y en 1980 el número creció a 7.23 millones.

Pero debido a la tecnología aún inmadura y a equipos de construcción no profesionales,

muchos digestores fueron abandonados en pocos años

y Fase 2: Descubrimientos técnicos y procesos mejorados (años '90). Se desarrollaron distintos

modelos, incluso el ³Pig-biogas-fruits´ en el Sur de la China ³Four-in-one´ en el Norte y ³Five-

supplements´ en el norte-oeste. Con tecnologías más eficientes, el biogás se desarrolló

establemente. En el año 2000, se utilizaban ya 9.8 millones de biodigestores en toda la China.

Ya en algunas granjas se empezaron a construir grandes plantas de biogás para uso

demostrativo.

y Fase 3: en el año 2000, se implementó el ³Biohousehold Programme´. En 2005, 18 millones

de hogares usaban un biodigestor, produciendo anualmente 7 mil millones de m3 de biogás,

tratando además 87 millones de residuos de animales.

El 1 de Enero del 2006 la ³Renewable Energy Law´ del gobierno chino ayudó al

crecimiento en el uso de esta tecnología.

Es notable el éxito de la tecnología del biogás en China, las razones son varias pero

podemos mencionar las principales:

- El constante interés del gobierno por utilizar el biogás como herramienta en el desarrollo.



12

- Marcos legales y políticas adecuadas para el uso del biogás, este ha sido un elemento

crucial para su desarrollo.

- Fuerte inversión del gobierno chino.

- Una red eficiente y completa ha sido la base para el éxito del desarrollo del biogás.

- Capacitación, sensibilización y propaganda han jugado un papel muy importante.

India

Hace aproximadamente 100 años que en la India se conoce y se aprovecha la tecnología

del biogás. Su difusión empezó en 1981 con el ³Proyecto Nacional de Desarrollo del Biogás´

(NPDB). En 1982 se creó el Departamento (ahora Ministerio) de las fuentes no convencionales de

energía (MNES) y en 1992, existían ya 2.4 millones de plantas de biogás en toda la India

Nepal

El ³Biogas Support Programme´ (BSP) empezó en Julio de 1992 con la financiación del

³Directorate General for International Cooperation of the Netherlands´ (DGIS) del gobierno

holandés. En Junio 2006, el número total de plantas construidas era 153,751.

Vietnam

En los últimos 50 años varios programas de biodigestores familiares han sido

implementados en Vietnam, pero ninguno ha logrado una difusión a gran escala o éxito a largo

plazo. No obstante, en Vietnam hay condiciones favorables para el biogás y la gente está a favor

de la tecnología. Después de una experiencia no tan buena con los digestores de tipo chino e

hindú y una breve experiencia con el digestor tubular de polietileno el gobierno vietnamita y

holandés firmaron un ³Memorandum of Understanding´ para implementar un proyecto de difusión

de biodigestores familiares durante 3 años (2003 ± 2006), llamado Biogas Programme (BP I). Es

así que se logró construir 18,022 plantas de tipo chino en 10 provincias hasta Diciembre 2005



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Dado que la demanda de plantas de biogás creció mucho en Vietnam, se ha formulado

una segunda fase del Biogás Programme (BP II: 2007 ± 2011) con la participación de la

³Organización Holandés para el Desarrollo´ (SNV). Esta segunda fase ampliará el programa a 50

provincias donde se plantea construir 140,000 plantas en 4 años

Tanzania

En Marzo de 1993, el biodigestor plástico de bajo coste (que usa un rollo tubular de

polietileno) fue introducido en Tanzania a través del Programa de Cooperación técnica de la FAO.

En el 2004 (con un proyecto que empezó en el 2001) aproximadamente 1000 campesinos usabanbiodigestores instalados por una joven ONG local llamada SURUDE.

Bolivia

Bolivia tuvo experiencias con biodigestores, principalmente en la Universidad Mayor de

San Simón de Cochabamba, en los años 80 y 90, pero los sistemas desarrollados estaban

construidos de ladrillo y cemento, lo que encarecía mucho su instalación y por lo tanto su alcance

a la población más empobrecida. De estas experiencias se acumuló mucha bibliografía y estudios

muy interesantes, tanto en el diseño como en el uso y las aplicaciones del biogás y el fertilizante

líquido producido.

La primera experiencia con biodigestores tubulares de polietileno fue en el año 2003

instalando un biodigestor experimental a 4100 m.s.n.m. que aprovechaba el efecto invernadero.

Este diseño preliminar sufrió un desarrollo para abaratar costes y adaptarlo a las condiciones

rurales manteniendo el espíritu de ser una tecnología apropiada. Luego, 26 institucionesparticiparon a un taller practico sobre biodigestores familiares de bajo coste. El objetivo del taller

fue capacitar a personas en el diseño, instalación, propuesta y ejecución de proyectos de

diseminación de biodigestores. Desde entonces se han construido 300 biodigestores y hoy día hay

9 ONGs trabajando en el tema del biogás



14

El coste del biodigestor varia entorno a 110 dólares en trópico y 170 en altiplano. Al

principio, para difundir la tecnología, el 50 % del coste del biodigestor lo ponía la ONG; luego se

pasó al 30%. Ahora ya se están experimentando algunos proyectos de micro crédito.

Otras experiencias exitosas con la tecnología del biogás han sido llevadas a cabo en

Camboya, Bangladesh, Tibet, Sri Lanka, Costa Rica, Ecuador y Mali.

2.1.2. Contexto nacional:

En los años '80 ITINTEC intentó impulsar en el Perú la difusión del biogás con los

digestores de tipo chino. La experiencia tuvo inicialmente un gran éxito, pero luego se perdió el

interés en la tecnología. Actualmente hay 2 proyectos importantes de experimentación de

digestores tubulares; uno está en el Cuzco y el otro en el distrito de Ventanilla en Lima.

Cuzco

Un proyecto piloto de aprovechamiento del biogas ha sido llevado a cabo en la

microcuenca de Jabon Mayo, región del Cuzco. El proyecto nació en el año 2004 con la ayuda de

la cooperación entre el Institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la Universitat Politècnica de

Catalunya (UPC), el Grupo de Apoyo al Sector Rural (GRUPO) de la Pontificia Universidad

Católica del Perú (PUCP) y la colaboración del Instituto para una Alternativa Agraria (IAA), una

ONG peruana con sede en Cuzco que concentra sus actividades de desarrollo agropecuario,

productivo y social en la microcuenca de Jabon Mayo

En el 2006, después de un estudio de factibilidad de la zona, se decidió instalar dos

digestores, con sus respectivos invernaderos, en los predios de dos familias en las comunidades

de Chollocani y Pabellones respectivamente, ambas cercanas al poblado de Yanaoca.



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Ventanillas (Lima)

A través de un proyecto de la ³Fundación CODESPA Catalunya´ con la colaboración de la

ONG Ciudad Saludable, se están construyendo biodigestores en el Parque Porcino del distrito de

Ventanilla, Provincia del Callao, departamento de Lima, Perú. El proyecto pretende mejorar las

condiciones de vida de los pequeños empresarios del Parque Porcino a través de la

implementación de programas de mejora de las granjas y del manejo de los cerdos, incluyendo la

aplicación de prácticas de control y reducción de la contaminación ambiental mediante

biodigestores.

Los beneficiarios directos del proyecto son 40 familias de diferentes zonas del Parque

Porcino de Ventanilla y de manera indirecta se beneficiarán las 2.200 familias que habitan en las

inmediaciones del Parque.

Se pretende que el biogás producido tenga usos tales como: cocción del alimento, energía

eléctrica para los hogares o proporcionar calor al área de reproducción y maternidadde los

cerdos. Por su parte los abonos orgánicos (líquidos y sólidos) podrán ser usados para el

mejoramiento de suelos y la consecuente producción de especies vegetales propias para la

alimentación familiar, complementando además la alimentación del ganado porcino.

El proyecto empezó en Julio del 2007 y hasta ahora se han construido 2 biodigestores de

bajo coste, usando la geomembrana que es un poco más cara que el polietileno. El volumen de los

biodigestores es de 5 m3. El coste total de un digestor es aproximadamente $ 200.00. Por ahora

los digestores están en la fase de experimentación y estudio.

y Cajamarca, gracias al apoyo de la ONG Practical Acción ITDG, en los últimos años ha

experimentado un avance importante en el uso de esta tecnología.



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2.2. JUSTIFICACIÓN:

La concentración atmosférica de gases de efecto invernadero ha sufrido un considerable

aumento en el siglo XX, especialmente en sus últimas décadas. El propósito de este trabajo

consiste en mostrar que la energía renovable, desde una visión general y oportunidades

ambientales permite reducir considerablemente las emisiones de estos gases. En este sentido el

tratamiento de los residuos orgánicos constituyen una fuente inagotable de energía, en este caso

se aprovechara la cascara del cacao, para producir metano (CH4), como combustible alternativo a

los combustibles fósiles (Petróleo, gas natural y carbón) que han provocado que grandes

cantidades de Gases de Efecto Invernadero (GEI) sean liberados a la atmósfera.

El desarrollo de esta tecnología nos presenta grandes ventajas, no solo en términos

medio ambientales, sino que también en términos económicos; dado a que el costo para su

implementación no es elevado, constituyéndose en una alternativa energética para las zonas

donde no es posible la energía del sistema interconectado.

2.3. OBJETIVOS

2.3.1. Objetivo general.

y Diseñar un biodigestor utilizando los desechos orgánicos generados diariamente en la finca,

con la finalidad de producir biogás como combustible que permita cubrir el consumo

mensual de energía, el uso de su efluente como fertilizante.

2.3.2. Objetivo específico.

y Recopilar la información que facilite Diseñar el tipo de biodigestor más óptimo para

aprovechar de forma adecuada el potencial energético de la cascara del cacao.



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y Capturar el metano (CH4) producido por la cascara del cacao, y darle un uso energético

adecuado, reduciendo de esta manera la emisión de gases de efecto invernadero al medio

ambiente.

2.4. HIPOTESIS

La materia orgánica en el proceso de descomposición libera energía, el proceso de

digestión anaeróbica nos permite capturar esta energía liberada, para darle usos de carácter

doméstico.

2.5. METODOLOGIA

La metodología empleada en el desarrollo del proyecto es la siguiente:

a) Método inductivo: Posibilidad de generar de biogás en un biodigestor tipo Chino.

b) Método deductivo: Aplicación de los conceptos y del conocimiento tecnología a tratar.

c) Método experimental: Experimentación del funcionamiento y comportamiento de la

planta en condiciones normales de operación.

d) Método empírico:

- Observación del meto actual.

- Medición de los parámetros de diseño para la ejecución del proyecto.



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CAPITULO III

MARCO TEORICO




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MARCO TEORICO

3.1. BIOMASA

De una forma genérica, se entiende por biomasa toda masa de material vivo renovable

presente en un organismo u organismos, incluyendo parte de material inerte, como el pelo y las

plumas de los vertebrados o la pulpa de los árboles y los materiales procedentes de su

transformación natural o artificial. Todo este conjunto tiene como denominador común que la

materia orgánica proviene, directa o indirectamente, del proceso de fotosíntesis, razón por la que

se presenta de manera periódica y no limitada en el tiempo. Su desarrollo está muy ligado a las

actividades agrícolas y forestales y a los residuos que éstas producen. En el aprovechamiento de

la biomasa como fuente energética se emplean principalmente árboles, plantas, animales y

deshechos animales y vegetales.

La energía que se puede obtener de la biomasa proviene de la luz solar, que, gracias al

proceso de fotosíntesis, es aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones químicas en

las células vivas para coger dióxido de carbono del aire y transformarlo en sustancias orgánicas.

Con este proceso de conversión, la energía solar se transforma en energía química que se

acumula en diferentes compuestos orgánicos y que es incorporada y transformada por el reino

animal y vegetal que, por su parte, la transforma mediante procedimientos artificiales para obtener

bienes de consumo.

Las posibilidades de aprovechamiento energético de la biomasa son muy diferentes y

están muy ligadas a la posibilidad de otros usos de los residuos de madera y agrícolas como

materia prima, alimento o material reciclable. El concepto de biomasa energética incluye los

materiales de origen biológico que no pueden ser utilizados con finalidades alimentarias o

industriales. No se puede obviar que las plantas y otras formas derivadas de la biomasa sirven al

hombre de más maneras que como fuentes de energía, por ejemplo como alimento, medicinas,

como materiales de construcción y, en el caso de las plantas verdes, como productores de

oxígeno. El aspecto alimenticio de la biomasa no es más que un uso energético indirecto, ya que

la humanidad y los animales transforman la energía almacenada en las plantas, por medio de



20

procesos metabólicos, en la energía vital que necesitan. Y más que eso, ya que a su vez las

plantas son fuente de nutrientes y vitaminas.

Desde hace relativamente poco, la generación de residuos urbanose industriales se ha

incrementado de tal forma que actualmente su gestión y tratamiento supone uno de los principales

problemas ambientales de nuestra sociedad. La valoración energética de la parte orgánica de

estos residuos, combinada con procesos de recogida selectiva, constituye una opción de

aprovechamiento limpia y efectiva.

Desde un punto de vista de aprovechamiento energético, la biomasa se caracteriza por

tener un bajo contenido en carbón y un elevado contenido en oxígeno y en compuestos volátiles.

Los compuestos volátiles, son los que concentran una gran parte del poder calorífico de la

biomasa. Su poder calorífico depende mucho del tipo de biomasa considerada y de su humedad.

Esta característica, junto con el bajo contenido en azufre, la convierten en un producto

especialmente atractivo para ser aprovechado energéticamente.

Es importante destacar también el aspecto ambiental de la biomasa. Su aprovechamiento

energético no contribuye a aumentar el efecto invernadero ya que el balance de emisiones de

dióxido de carbono a la atmósfera es neutro. En efecto, el dióxido de carbono generado en la

combustión de la biomasa es reabsorbido mediante la fotosíntesis en el crecimiento de las plantas

necesarias para su producción y, por tanto, no incrementa la cantidad de CO2 presente en la

atmósfera. Por el contrario, en el caso de los combustibles fósiles, el carbono que se libera a la

atmósfera es el que se ha fijado en la tierra durante miles de años. Ésta es la única fuente de

energía por completo neutra en CO2, lo que quiere decir que no hace aumentar el bióxido de

carbono en la atmósfera, con lo que contribuye a reducir el cambio climático.



21

3.1.1. Clasificación de la biomasa

Existen varios tipos de biomasa, dependiendo de su origen y de la idea de generar estos

recursos o de recuperarlas de otras fases de nuestra economía.

a) Biomasa Natural: Es la que se produce en ecosistemas naturales. Es la que se

produce en la naturaleza sin la intervención humana. La explotación intensiva de este

recurso no es compatible con la protección del medio ambiente.

b ) Biomasa Residual: Es la que genera cualquier actividad humana, principalmente en

los procesos agrícolas, ganaderos y los del propio hombre, como basuras y aguas

residuales. Incluye los Residuos Forestales y Agrícolas, los Residuos de Industrias

Forestales y Agrícolas, los Residuos Sólidos Urbanos y los Residuos Biodegradables.

c ) Cultivos Energéticos o Biomasa producida: Es la cultivada con el propósito de obtener

biomasa transformable en combustible, como la caña de azúcar, orientada a la

producción de etanol para carburante.

Figura Nº 3.1 Clasificación de la biomasa



22

3.1.2. Utilización de la biomasa

La biomasa tiene múltiples utilidades, pero desde un punto de vista del aprovechamiento

de la energía contenida en el enlace químico del carbono, hay que proceder a su combustión. La

combustión de la biomasa sólida puede realizarse directamente en un hogar, previo secado

cuando ésta tiene excesiva humedad. Sin embargo, cuando mediante tratamientos físicos,

químicos o biológicos intermedios obtenemos combustibles líquidos o gaseosos, éstos pueden ser

quemados tanto en calderas como en motores, de donde podemos extraer calor y trabajo

mecánico. Ya sabemos que el trabajo lo podemos emplear para hacer funcionar máquinas y

vehículos o para generar electricidad en grupos electrógenos o turbinas, y que el calor puede

usarse en procesos industriales, para acondicionamiento de hábitat humano, animal o vegetal, y

para generación de electricidad.

La energía química contenida en la materia orgánica puede transformarse utilizando

alguna tecnología de combustión en calor y trabajo, energía térmica y energía mecánica. Con

ambas podemos producir electricidad.

Por otro lado, la obtención, o adecuación para su uso, de los combustibles procedentede

la biomasa, ya sea residual o no, requiere, casi siempre, tratamientos físicos, químicos o

biológicos, y entre éstos están:

a) El secado para eliminar la humedad.

b ) La combustión incompleta para producir carbón vegetal.

c ) La extracción de aceites biocombustibles de plantas oleaginosas.

d )

La extracción de hidrocarburos de plantas productoras.

e ) La fermentación alcohólica.

f ) La producción de biogás. g ) La gasificación para obtener gas pobre (CO. H2, N2), o gas de síntesis (CO, H2).

h ) La pirolisis para obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.



23

Las características estructurales y bioquímicas según la procedencia de cada tipo de bio-

masa y el análisis de las necesidades de nuestros procesos industriales o domésticos, condiciona

cuáles pueden ser las tecnologías para un aprovechamiento óptimo, esto sin olvidar, claro está,

como elemento de análisis la evaluación del impacto medioambiental, si lo hubiere. En cualquier

caso, se trata de no consumir más biomasa que la que se regenera como residuo o como producto

de la intervención humana, y no retirar del medio la biomasa necesaria para mantener los

nutrientes y las características estructurales de los suelos, ya sean naturales o generados por la

acción agrícola humana. En los procesos de aprovechamiento energético aparecen también

productos o subproductos con valor añadido, es el caso de la producción de compost utilizando el

residuo sólido de la fermentación alcohólica o de la digestión anaerobia.

3.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA

La degradación en la naturaleza de la biomasa residual procedente tanto del metabolismo

animal como vegetal la realizan las bacterias, el proceso es complejo y. dependiendo del tipo de

sustrato biodegradable. y de otros factores que veremos, intervienen diferentes especies

bacterianas, existiendo una perfecta especialización en cuanto al tipo de materia a degradar por

cada familia de organismos, de tal modo que incluso los catabolitos de una especie son utilizados

por otras en una concatenación de fases perfectamente organizada. Cuando esta degradación se

realiza en condiciones aerobias (en presencia de oxígeno), los productos finales son anhídrido

carbónico, agua, sulfato, y nitrógeno inorgánico en forma de nitritos, de nitratos y de sales de

amonio. Sin embargo en condiciones rigurosas de ausencia de oxígeno la biodegradación se lleva

a cabo por otros organismos procarióticos en un proceso que se llama digestión anaerobia. Los

productos finales de este proceso son un residuo húmedo de sólidos de difícil degradación y un

gas inflamable. A este gas combustible lo llamamos biogás. y tiene una composición que,

dependiendo del origen de la materia orgánica bio-degradable oscila entre los valores siguientes:

- Metano CH4 50 a 70%.



24

- Anhídrido carbónico CO2: 30 a 40%.

- Ácido sulfhídrico SH2 hidrógeno H2 y otros: < 5%.

3.2.1. Características del Proceso.

La digestión anaerobia, que consiste en la degradación de la materia orgánica en ausencia

de oxigeno, implica la realización de una serie de reacciones bioquímicas, donde participan una

gran variedad de microorganismos, los cuales a una parte del carbono lo oxidan completamente

formando anhídrido carbónico y a la otra lo reduce en alto grado para formar metano, siendo

químicamente estables ambos compuestos.

Casi todas las materias orgánicas pueden emplearse para la fermentación. El hombre en

la producción de biogás utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas residuales de la

industria liviana y alimenticia, los desechos municipales y diversos subproductos agrícolas

(residuos de cultivos y excrementos humanos y de animales), además se aprovechan algunos

cultivos energéticos La composición química principal de estos recursos son polisacáridos,

proteínas, grasas y pequeñas cantidades de metabolitos, la mayoría de ellos insolubles en agua.

Estos compuestos son desdoblados fundamentalmente por bacterias que descomponen

los materiales orgánicos, algunos de los cuales producen gas metano y otros no producen ningún

gas, también se han encontrado en los aislamientos protozoarios y hongos. La cooperación e

interacción entre estos microorganismos es lo que produce la transformación y degradación de los

diversos materiales.

La digestión anaerobia es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones

bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas. De

hecho muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea.

Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de

descomposición anaerobia de la materia orgánica en cuatro fases o procesos:



25

a) Hidrólisis

b ) Etapa fermentativa o acidogénica

c ) Etapa acetogénica

d ) Etapa metanogénica

En la figura 3.2 se muestra esquemáticamente las distintas fases del proceso de digestión

anaerobia, los microorganismos que intervienen en cada una de ellas y los productos intermedios

generados.

Figura Nº 3.2 Proceso de la digestión anaerobia

Esquema de reacciones de la digestión anaerobia de materiales poliméricos Los números indicanla población bacteriana responsable de cada proceso: 1: bacterias fermentativas: 2: bacteriasacetogétitcas que producen hidrógeno. 3: bacterias homoacetogénicas: 4: bacteriasmetanogénicas hidrogenotróficas; 5: bacterias metanogénicas acetoclásticas.



26

3.2.1.1. Etapa Hidrolitica.

En esta etapa las bacterias no metanogénicas actúan sobre los componentes orgánicos del

sustrato, tales como celulosa, almidones, proteínas y grasas entre otras, transformándolos por

hidrólisis en compuestos orgánicos solubles (ácido acético, H2, CO2, compuestos

monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados). De esta forma los

carbohidratos se convierten en azúcares simples; las grasas, en ácidos grasos y glicerol y las

proteínas se desdoblan en polipéptidos y aminoácidos, liberando también CO2 e H2.

Posteriormente, esos productos son convertidos a ácidos orgánicos, fundamentalmente butírico,

propiónico y acético.

La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso sobre

todo cuando se tratan residuos con alto contenido en sólidos. Además, la hidrólisis depende de la

temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, de la composición del sustrato

(porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del tamaño de partículas, del pH, de la

concentración de amoniaco (NH4+) y de la concentración de los productos de la hidrólisis.

3.2.1.2. Etapa fermentativa o acidogenica.

Las moléculas orgánicas solubles son degradadas, en esta etapa, por varios organismos

fermentativos, formando compuestos que pueden ser utilizados directamente por las bacterias

metanogénicas (acido acético, H2) y compuestos orgánicos más reducidos (ácido láctico, etanol,

ácido propiónico y ácido butírico, principalmente), que tienen que ser oxidados por bacterias

acetogénicas a sustratos que puedan utilizar las metanogénicas. Las proporciones entre los

productos de la fermentación varían en función del consumo de H2 por parte de las bacterias que

utilizan hidrógeno. Cuando el H2 es eliminado de forma eficiente las bacterias fermentativas no

producen compuestos reducidos como el etanol, favoreciendo la producción de H2 y la liberación

de energía en forma de ATP. La actividad de algunas bacterias fermentativas y acetogénicas

depende de la concentración de H2, siendo posible sólo a valores muy bajos de presión parcial de



27

H2. La eliminación continua de H2 mediante oxidación por CO2 (bacterias metanogénicas,

hidrogenotróficas) estimula la acción de las bacterias fermentativas, al eliminar un producto de la

reacción.

3.2.1.3. Etapa acetogenica:

Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, las cuales incluyen obligatoriamente

a las dos especies facultativas que pueden convertir 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 tales como el etanol y el propanol transformándolos en hidrógeno y

acetato. Los productos finales de la etapa anterior son transformados en acetato, hidrógeno y CO2

por un grupo de bacterias que aportan aproximadamente el 54% del hidrógeno quese utilizará en

la formación de metano. La función de estos microorganismos en el proceso de la digestión

anaerobia es el de ser donantes de hidrógeno, CO2 y acetato para las bacterias metanogénicas.

Algunos autores admiten la existencia de otras bacterias, denominadas homoacetogénicas,

que pueden crecer autotróficamente con dióxido de carbono e hidrógeno para producir acetato

(reacciones de hidrogenación acetogénica) cuando las metanogénicas utilizadoras de H2, están

inhibidas debido a un pH bajo. Así, se considera que el intercambio de hidrógeno es tan rápido en

el digestor que originan diferentes microambientes con diferentes presiones de hidrógeno, donde

ambas reacciones (acetogénicas y homoacetogénicas) se da conjuntamente.

3.2.1.4. Etapa metanogenica:

Los microorganismos metanogénicos pueden ser considerados como los más importantes

dentro del consorcio de microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación

de metano y de la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores. Las bacterias

metanogénicas sintetizan el metano a partir de substratos como: acetato, H2, CO2.



28

Los organismos metanogénicos se clasifican dentro del dominio Archaea, y,

morfológicamente, pueden ser bacilos cortos y largos, cocos de varias ordenaciones celulares,

células en forma de placas y metanógenos filamentosos, existiendo tanto Gram positivos como

Gram negativos.

Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del substrato

principal, dividiéndose en los hidrogenofílicos, que consumen hidrógeno, y los acetoclásticos, que

consumen acetato.

La mayoría de los organismos metanogénicos son capaces de utilizar el H2 como aceptor

de electrones, mientras que sólo dos géneros son capaces de utilizar el acetato. A pesar de ello,

en ciertos ambientes anaerobios, éste es el principal precursor del metano, considerándose que

alrededor del 70% del metano producido en los reactores anaerobios se forma a partir de acetato.

3.2.2. Principales parámetros que influyen en la producción de biogás:

El conocimiento de la microbiología, la organización del proceso, la política tecnológica de

la producción y el control de las condiciones técnicas, es la base fundamental para el diseño del

biodigestor.

3.2.2.1. Parámetros ambientales

a) Ausencia de oxigeno:

Las digestión anaerobia pueden desarrollarse solo a un muy bajo potencial redox*, el

oxigeno tiene un alto potencial redox, aunque en principio es un proceso anaeróbico, participan

hasta en un 50% bacterias aeróbicas y facultativas.

* Es una medida que indica la tendencia de los elementos químicos a captar oceder electrones, medido en m volt.



29

Estas bacterias consumen en corto tiempo el oxigeno presente sin que se produzcan

ningún daño importante al sistema en general.

b ) Temperatura

La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad de

crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A

medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos

y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores producciones de biogás.

La temperatura de operación del digestor, está considerada uno de los principales

parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión

anaerobia.

Variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden provocar la desestabilización

del proceso.

Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un

sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura.

Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los microorganismos

anaerobios: psicrofilico (por debajo de 25°C), mesofilico (entre 25 y 45°C) y termoflico (entre 45 y

65°C).

Hasta el momento, el rango psicrofilico ha sido poco estudiado y, en general, se plantea

como poco viable debido al gran tamaño del reactor necesario. Sin embargo, presenta menores

problemas de estabilidad que en los otros rangos de operación.

El régimen mesofilico de operación es el más utilizado a pesar de que en la actualidad se

está utilizando cada vez más el rango termofilico para conseguir una mayor velocidad del proceso

(lo que significa un aumento en la eliminación de materia orgánica y en la producción de biogás) y



30

una mejor eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen termofónico suele ser

más inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y presenta además mayores

problemas de inhibición del proceso por la mayor toxicidad de determinados compuestos a

elevadas temperaturas, como el nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga.

Una técnica interesante es la combinación de dos fases de digestión, una primera

termofilica de elevada carga orgánica y una segunda mesofilica con menor carga. Con este

sistema se aprovechan las ventajas del sistema termofilico pero se reducen los problemas de

inestabilidad.

La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos fisicoquímicos del mismo. La

solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favoreciéndose la

transferencia liquido-gas. Esto supone un efecto positivo para el caso de gases tales como NH3,

H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos anaerobios. Una posible

desventaja de este fenómeno es que el descenso de la solubilidad del CO2provocaría un

aumento del pH, lo que generaría, en fangos de elevada concentración de amonio, posibles

situaciones de inhibición por NH3. Por otra parte, la solubilidad de la mayoría de las sales aumenta

con la temperatura de manera que la materia orgánica es más accesible para los microorganismos

aumentando así la velocidad del proceso. Por último, la viscosidad de sólidos y semisólidos

disminuye al aumentar la temperatura lo que implica menores necesidades de agitación.

c ) Velocidad de carga orgánica (VCO) y tiempo de retención hidráulica (TRH)

El tiempo de retención de sólidos y la velocidad de carga orgánica (cantidad de materia

orgánica introducida diariamente), son uno de los factores más importantes para el control de los

sistemas de digestión anaeróbica, ya que son factores que se encuentran muy ligados entre sí.

La variación de uno de estos parámetros produce trastornos en el desarrollo microbiano,

con la consecuente disminución en la producción de biogás.

------------- (2)



31

d ) Acidez y alcalinidad

Este factor indica cómo se desenvuelve la fermentación. Se mide con un valor numérico

Llamado pH, que en este el valor es 7, o sea es neutro.

Por encima de este número significa alcalinidad; por debajo, acidez. Cuando los valores

superan el pH 8, esto indica una acumulación excesiva de compuesto alcalino. Y la carga corre

riesgo de putrefacción. Los valores inferiores a 6 indican una descompensación entre las fases

ácidas y metanogenica, pudiendo bloquearse esta última.

Los diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestion anaerobia

presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a la neutralidad entre los siguientes valores:

- Fermentativos: entre 7.2 y 7.4

- Acetogenicos: entre 7.0 y 7.2

- Metanogenicos: entre 6.5 y 7.5

Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6 ni subir de

8. El valor del pH en el digestor no solo determina la producción de biogás sino también su

composición. Una de las consecuencias de que se produzca un descenso del pH a valores

inferiores a 6 es que el biogás generado es muy pobre en metano y, por tanto, tiene menores

cualidades energéticas.

El pH es una de las variables utilizadas en el diagnostico de los sistemas anaerobios

(aunque no se considera una Buena variable de control por ser demasiado lenta) ya que muchos

fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Un ejemplo de ello, son las situaciones de

acidificación de un reactor anaerobio provocadas por desequilibrios en la producción y consumo

de ácidos grasos volátiles. La acumulación de estos provoca un descenso en el pH que será más

o menos acusada en función de la alcalinidad del medio.

Por otra parte, el pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio,

pudiendo desplazarlos hacia la formación de un determinado componente que tenga influencia en



32

el proceso. Este es el caso de los equilibrios acido-base del amoniaco y del acido acético: Al

aumentar el pH se favorece la formación de amoniaco que, en elevadas concentraciones, es

inhibidor del crecimiento microbiano y a pH bajos se genera mayoritariamente la forma no ionizada

del acido acético, que inhibe el mecanismo de degradación del propionato.

e ) Composición del sustrato

Entre las materias primas empleadas la digestión anaerobia, están los desechos animales,

residuos agrícolas, los residuos sólidos urbanos, residuos industriales y las aguas residuales, lo

que se conoce como biomasa residual, están pueden dividirse en dos grupos, las materias primas

ricas en nitrógeno y las materias primas ricas en carbono, el nitrógeno se utiliza como

constituyente para la formación de la estructura celular, y el carbono como fuente de energía.

Cualquier sustrato se compone de tres tipos básicos de macromoléculas: hidratos de

carbono, proteínas y lípidos

Las proteínas constituyen un elemento muy importante en el proceso de digestión

anaerobia ya que además de ser fuente de carbón y energía, los aminoácidos derivados de su

hidr6lisis tienen un elevado valor nutricional. Las proteínas son hidrolizadas en péptidos y

aminoácidos por la acción de enzimas proteolíticas llamadas proteasas. Parte de estos

aminoácidos son utilizados directamente en la síntesis de nuevo material celular y el resto son

degradados a ácidos grasos volátiles, dióxido de carbono, hidrogeno, amonio y sulfuro en

posteriores etapas del proceso.

La degradación de los lípidos en ambientes anaerobios comienza con la ruptura de las

grasas por la acción de enzimas hidroliticas denominadas lipasas produciendo ácidos grasos de

cadena larga y glicerol.

La velocidad de degradación de los materiales lignocelulosicos, compuestos

principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa, es tan lenta que suele ser la etapa limitante



33

del proceso de hidrolisis y por tanto, de la degradación anaerobia de determinados sustratos. Esto

es debido a que la lignina es muy resistente a la degradaci6n por parte de los microorganismos

anaerobios, afectando también a la biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros

hidratos de carbono.

Los principales productos de la hidrólisis de la celulosa son celobiasa y glucosa, mientras

que la hemicelulosa produce pentosas, hexosas y ácidos urónicos.

- Sólidos totales:

Toda la materia orgánica está compuesta de agua y una fracción sólida, esta última es

llamada sólidos totales (ST).

El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga el digestor, es

también un factor importante a considerar para asegurar que el proceso se lleve a cabo en forma

satisfactoria.

Experimentalmente se ha demostrado que una carga que contenga entre 7 y 9% de

sólidos totales es óptima para la digestión.

Para calcular el volumen de agua que debe ser mezclada con la materia prima para dar la

proporción deseada, es indispensable conocer el porcentaje de sólidos de ésta.

- Sólidos volátiles:

Los sólidos volátiles (SV) representa la parte de los sólidos totales de la materia orgánica

que están sujetos a pasar la fase gaseosa. Lo cual se constituyo en un indicador importante de la

producción de biogás.



34

- Relación carbono - nitrógeno (C/N)

El Carbono fuente de energía para los microorganismos y el Nitrógeno necesario para la

síntesis proteica. La relación adecuada de estos nutrientes, favorece el crecimiento y la

reproducción de los microorganismos en el proceso.

Los microorganismos siempre consumen estos elementos en determinada proporción,

medidos por la relación carbono-nitrógeno (C/N) que contiene la materia orgánica. Existen muchos

criterios en lo referente a esta relación, pero se reconoce en general como aceptable una relación

C / N de 20-30:1.

Las excretes de humanos y de animates son ricos en nitrógeno, con una relación C/N

inferior a 25:1, durante la fermentación tienen una mejor velocidad de biodegradación y de

generación de gas; en cambio los residuos agrícolas son ricos en carbón, con una relación C/N

superior a 30:1, pero con una generación más lenta de gas en el proceso de digestión.

En general In materias primas ricas en carbono producen más gas que las ricas en

nitrógeno, así mismo es más rápida la producción de gas a partir de materias primas nitrogenadas

(excretas), que las ricas en carbono (paja y tallos). Mientras en los primeros 10 dial de

fermentación las materias primas nitrogenadas generan de 34.4%-46% del total de gas producido,

las ricas en carbono solo aportan el 8.8% *.

Por ello para conseguir un buen rendimiento de gas en forma constante durante la

fermentación, es conveniente combinar proporciones adecuadas de materiales con bajo y alto

rendimiento y de distintas velocidades de generación; también es conveniente agregar las

materias primas ricas en nitrógenos a las materias primas de alta relación C/N, a fin de bajar esta

relación.

El cálculo de de la relación carbono nitrógeno para materia organica compuesta se

determina mediante la ecuación siguiente:

* FAO, 1986



35

------------- (1)

En donde:

C = Porcentaje de carbono en la materia prima

N = Porcentaje de nitrógeno en la materia prima

X = Masa de la materia Prima

K = C / N de la mezcla de las materias primas

3.2.2.2. Parámetros de control

a) Colección y preparación de la biomasa

Quizás el primer interrogante a resolver al proyectar una instalación de generación de

biogás es determinar si se cuenta con biomasa en la cantidad y frecuencia suficiente que provea la

carga orgánica necesaria para mantener de manera continua la operación de lbiodigestor.

Una vez establecida la disponibilidad de biomasa esta debe ser colectada en alguna partedel sistema de generación de biogás, con el propósito de omogenizarla (diluirla o concentrarla,

adicionarle nutrientes) o simplemente conducirla al biodigestor.

El sistema de colección está predeterminado por un inventario de la cantidad de desechos

orgánicos a emplear, características de los mismos (biodegradabilidad), estado físico en que se

manejan (líquido o sólido), frecuencia de recolección de la biomasa, transporte al biodigestor, de la

calidad de esta información básica depende el éxito del sistema.

Al emplear como flujo principal de biomasa en el sistema de generación de biogás los

desechos agrícolas debe tenerse en cuenta que el contenido de sólidos limitan su uso y manejo.

Para la producción de gas, tratamiento de los efluentes y operación del reactor no es

conveniente que la carga a degradar este muy concentrada ni muy diluida,se recomienda una



36

concentración de 8% de sólidos totales. Sobre la base de los sólidos totales de la carga pueden

calcularse la concentración de los lodos, la cantidad de agua que habrá que agregar y las

proporciones de Ios componentes.

b ) Agitación y mezclado

Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos producidos por

las bacterias metanógenas, mezclado del sustrato fresco con la población bacteriana, evitar la

formación de costra que se forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la

formación de espacios ³muertos´ sin actividad biológica.

En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se deberán realizar las

siguientes consideraciones: El proceso fermentativo involucra un equilibrio simbiótico entre varios

tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de un grupo específico

servirá de alimento para el siguiente implicará una mema en la actividad biológica y por ende una

reducción en la producción de gas.

Como conclusión en la elección de un determinado sistema se tendrá siempre presente

tanto los objetivos buscados como el prejuicio que puede causar una agitación excesiva

debiéndose buscar un punto medio óptimo.

Existen varios mecanismos de agitación utilizados desde los más simples que consisten

en un batido manual o el provocado por la entrada y salida de los líquidos hasta sofisticados

equipos que involucran agitadores a hélice, recirculadores de sustrato e inyectores de gas.

c ) Inhibidores

- Nitrógeno amoniacal

Durante el proceso anaerobio, el nitrógeno orgánico es hidrolizado dando lugar a formas

amoniacales. Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente importante para el crecimiento

bacteriano, una concentración excesiva puede limitar su crecimiento.



37

El nitrógeno amoniacal es la suma del ion amonio (NH4+) y del amoniaco (NH3). Ambas

especies se encuentran en equilibrio químico, y la concentración relativa de cada una depende del

pH, tal y como indica la ecuación de equilibrio:

NH4+ NH3 + H+

De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoniaco libre ya que se ha

comprobado experimentalmente que el efecto inhibitorio por amonio aumenta a pH alcalinos.

Además del pH, la cantidad de amoniaco libre depende de la concentración del sustrato, de la

relación C/N, de la capacidad del medio y de la temperatura de digestión. Obviamente, aquellos

residuos que contengan mayores proporciones de proteínas u otros compuestos nitrogenados son

los que presentan más problemas de inhibición por amonio.

- Ácidos grasos volátiles

La concentración de ácidos grasos volátiles, productos intermedios mayoritarios del

proceso anaerobio, es uno de los parámetros que más eficazmente pueden indicar la evolución del

proceso. De hecho, este parámetro es uno de los más utilizados en los sistemas de control debido

a su rápida respuesta ante variaciones del sistema. Un ejemplo de ello, es la acumulación de

ácidos grasos volátiles que tiene lugar en el sistema cuando la velocidad de degradación de estos,

por parte de las bacterias responsables, disminuye por alguna causa adversa. Por tanto, un

aumento en la concentración de ácidos volátiles en el sistema, siempre significa una

desestabilización del proceso y, en consecuencia, una disminución de la producción de biogás.

- Cationes y metales pesados

Los cationes de metales alcalinos y alcalino-térreos tienen un efecto estimulador de la

actividad de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de un nivel de concentración, pueden

proporcionar toxicidad provocando una disminución de la velocidad de crecimiento.



38

La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los metales

pesados son los que provocan toxicidad a menor concentración. El orden de toxicidad de los

metales pesados es Ni> Cu> Cr (IV)> Cr (III)> Pb> Zn.

Los niveles de inhibición varían mucho en función de varios factores. Si la introducción del

catión en el reactor se produce de forma gradual, los microorganismos pueden aclimatarse y el

efecto toxico es menor. La presencia de sulfuros también disminuye la inhibición debido a la

precipitación de estos con los metales pesados, pudiendo llegar a tolerarse elevadas

concentraciones de metales pesados en estos casos.

Cuando se presentan combinaciones de estos cationes, el efecto que se produce esmás

complejo. Algunos actúan antagónicamente, reduciendo la toxicidad, y otros actúan

sinergeticamente aumentándola.

En el caso de aguas residuales industriales las elevadas concentraciones de metales

suelen ser la causa de la ineficacia del proceso anaerobio.

- Sulfatos y sulfuros

La presencia de elevadas concentraciones de sulfato en el sustrato puede producir la

inhibición del proceso anaerobio, especialmente de la metanogenesis. En presencia de sulfatos,

las bacterias metanogenicas compiten con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos

(acetato e hidrogeno), mostrando estas últimas ventajas termodinámicas y cinéticas sobre las

primeras. El resultado de esta competición determinara la proporción de sulfhídrico y metano en el

biogás producido.

El sulfuro es también un inhibidor para muchos grupos bacterianos. En general, los

metanogenicos son más sensibles que los acidogenicos y acetogenicos, comenzando a ser toxica

una concentración de 50 mg/l si los microorganismos metanogenicos no están aclimatados a los



39

sulfuros. Parece que la forma toxica es la no ionizada, por lo que la inhibición se favorece a pH

bajos y a bajas temperas.

Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competición por el sustrato

entre los microorganismos metanogenicos y sulfato-reductores y la segunda es una inhibición

directa del crecimiento metanogenico por la presencia de sulfuros solubles.

- Otros inhibidores.

Debido a que la etapa de fermentación metanica tiene etapas realizadas por

microorganismos estrictamente anaerobios, es obvio que el oxigeno es un toxico mas del proceso.

Parece que concentraciones del orden de 1µg/l son inhibidoras.

También podemos señalar como inhibidores del proceso: determinadas sustancias

orgánicas como ácidos grasos de cadena larga y alcoholes, en elevadas concentraciones, y la

presencia de desinfectantes y antibióticos.



40

3.3. PROCESOS DE OPERACIÓN DE LOS BIODIGESTORES

La digestión para degradar los residuos orgánicos y/o producir biogás en un proceso

microbiano, para lo que se necesita condiciones ambientales propicias y un manejo adecuado

para que funcione eficientemente el sistema, desde que se carga el digestor hasta la producción

del gas y salida del efluente. Existen muchos procesos para tratar los diversos residuos orgánicos,

los cuales dependen de las condiciones de diseño del sistema, como de los propios digestores y

del modo del sistema, como de los propios digestores y del modo de presentación de los

substratos a ser fermentados. En este sentido los procesos pueden ser clasificados según:

3.3.1. Por la forma de alimentación

3.3.1.1. Fermentación continua

Cuando la fermentación en el digestor es un proceso ininterrumpido, el efluente que

descarga es igual al material que entra, la producción de gas es uniforme en el tiempo;este

proceso se aplica en zonas con ricas materias residuales y digestor de tamaño grande (mayor de

15m3) y mediano (entre 6.3 m3 y 15 m3).

La característica mas importante es la alta dilución de la carga, de 3 a 5 veces agua /

excreta y además su manejo es relativamente fácil, pues lo que se hace es un manejo hidráulico

del sistema, que puede llegar a no requerir mano de obra en la operation si las condiciones

topográficas son favorables.

El digestor se carga diaria o incendiariamente adicionando nuevas cantidades de lodos

frescos.



41

Figura Nº 3.3 Fermentación continua

3.3.1.2. Fermentación semicontinua

La primera carga que se introduce, consta de gran cantidad de materiales; cuando va

disminuyendo gradualmente el rendimiento del gas se agregan nuevas materias primas y se

descarga el efluente regularmente en la misma cantidad.

El sustrato a degradar ocupa un volumen en el digestor (80%), mientras que el resto del

volumen (20%) es reservado para realizar cargas continuas diarias o intermedias, a medida que va

disminuyendo gradualmente el rendimiento del gas.

Esta operación reúne las ventajas y desventajas del batch, pero en el caso del bioabono,

por la adición continua de materia rica en nutrientes incrementa aun más su calidad.

Una forma de operación podría ser: se incorpora al digestor una carga batch de pasto o

restos de cosecha y la carga continua es con excretes de porcinos o humanos.



42

Debido a que el suministro de lodos frescos no es constante el proceso se hace bastante

largo, por esta razón en la práctica se acelera mediante la utilización y el control de factores

favorables.

3.3.1.3. Fermentación por lotes

Los digestores se cargan con material en un solo lote, cuando el rendimiento de gas decae

a un bajo nivel, después de un periodo de fermentación, se vacían los digestores por completo y

se alimenta de nuevo.

También se conoce como operación "Batch", todo adentro todo fuera.

El material de carga se caracteriza, por una alta concentración de sólidos, el cual debe ser

adecuadamente inoculado, sobre todo cuando se fermentan materiales vegetales. Las ventajas

operativas es que el proceso una vez iniciado llega al final sin contratiempos, necesitando mano

de obra solo al momento de la carga y la descarga. La desventaja es que al tratarse de manejo de

sólidos sobre todo cuando son grandes volúmenes requiere mecanizarlo, no obstante hay gran

producción de gas por unidad de volumen y un bioabono de buena calidad, el proceso es el

siguiente.

Figura Nº 3.4 Fermentación por lotes



43

3.3.2. Por el número de etapas

3.3.2.1. Fermentación en una sola etapa

Cuando la digestión se realiza en un solo depósito de fermentación, su estructura es

simple, fácil operación y bajo costo, se usa mucho en las zonas rurales.

3.3.2.2. Fermentación en dos o más etapas.

La digestión ocurre en dos o más depósitos de fermentación. El material de la carga

primero se degrada y produce gas en la primera etapa; luego el efluente de la primera etapa sufre

un nuevo proceso de digestión en la segunda etapa. Con este principio se pueden construir

digestores de 3 0 4 etapas.

Los digestores de etapas múltiples se caracterizan por un largo periodo de retención,

buena descomposición de la materia orgánica y una alta inversión.

3.4. COMPONENTES DE LOS BIODIGESTORES

El digestor está compuesto por las siguientes partes

- Ducto de entrada de materia orgánica.

- Cámara de fermentación

- Cámara de depósito de gas

- Ducto de descarga

- Cámara de salida de materia estabilizado o fermentada.

- Tapa de inspección

- Colector de gas o gasómetro



44

- Válvula de seguridad

- Trampa de agua

- Filtro de acido sulfhídrico

- Conducto de gas, lleva el gas para ser usado.

- Manómetro

y Válvula de seguridad

Este accesorio permite controlar la sobreproducción de gas, evitando de esta manera

daños por incremento de presión.

y Filtro de acido sulfhídrico

El biogás contiene un pequeño porcentaje de un ácido, llamado ácidosulfhídrico (H2S),

que además de ser tóxico, puede corroer las partes metálicas de los equipos con los que usemos

el biogás (cocinas, quemadores, calentadores, etc.). El plástico es resistente a este ácido, así

como también lo es el bronce o el acero inoxidable. Pero cualquier pieza de fierro será corroída

poco a poco por este ácido. Para eliminar este ácido colocaremos un filtro. Este consiste en un

tramo de tubo de 4´ y 2m de longitud lleno de virutas de fierro oxidadas.

y Trampa de agua

El biogás contiene vapor de agua, y éste puede condensar en el interior de las

conducciones. En el caso que la conducción hiciese forma de ³U´, el agua condensada podría

acumularse ahí, impidiendo la circulación del biogás hasta la cocina, es un accesorio sencillo deconstruir, para lo cual se requiere de una ³te´ de PVC y de un recipiente con agua.



45

Figura Nº 3.5 conducto obstruida por condensación de agua

Figura Nº 3.6 Componentes de un biodigestor



46

3.5. CLASIFICACION DE LOS DIGESTORES

La base fundamental para que se cumpla la digestión anaerobia es la de mantener la

suficiente cantidad de lodos activados dentro del reactor, para que al entrar en contacto con el

material de carga, las bacterias que existan en ellos puedan ayudar a las fermentación y

degradación de la materia orgánica. Dependiendo de la forma de contacto entre el material o

sustrato fermentante y la población bacteriana dentro del reactor, se definen dos tipos de

digestores anaeróbicos.

3.5.1. Digestor de mezcla completa.

Denominados así porque el sustrato a ser digerido y los microorganismos encargados de

su degradación se encuentran formando una sola unidad, dentro del cuerpo del digestor,

originándose la fermentación de la materia orgánica. Los modelos de digestores clásicos

industriales son esencialmente de tipo de mezcla completa con una recirculación del liquido en

suspensión y con agitación mecánica.

3.5.2. Reactores de filtro anaeróbico, lechos expandidos y fluidizados y las

unidades U.A.S.B.

Todos estos reactores están basados en la tendencia que tienen las bacterias,

especialmente las metanogenicas a fijarse sobre superficies solidas.

La carga incremental en un reactor de flujo continuo sin retención de microorganismos y/o

materia orgánica ocasiona un lavado y por lo tanto una disminución del proceso ya iniciado. De ahí

que se han intentado algunos mecanismos, en los cuales se busca separar los sólidos del efluente

y recargarlos al cuerpo del reactor o también retornar parte del efluente con sólidos en suspensión

at cuerpo del mismo. En los reactores de filtro fijo, las bacterias se adhieren sobre soportes



47

estacionarios y especialmente provistos para tal fin, en cambio en las U.A.S.B. (Upflow anaerobic

sludge blanket) y reactores similares, la adherencia se da entre las propias bacterias formándose

flóculos que tienen la capacidad de sedimentar a velocidades superiores que la velocidad neta del

liquido.

El sistema que ha obtenido éxito en el medio rural es el digestor con filtro anaeróbico

donde el agua residual al entrar en el digestor se le hace pasar a través de una cama de soporte

de material poroso inerte, que contiene gravas, rocas, carbón activado, ladrillos triturados, conchas

marinas.

El filtro anaeróbico tiene la característica de aumentar el tiempo de residencia de los

microorganismos en su interior, por estar formando por una matriz que posee una mayor superficie

de contacto, donde se fijan Las bacterias metanogenicas.

Con estos procesos de biomasa retenida, se consiguen tiempos de retención de sólidos

entre 10 y 100 veces mayores que en los digestores convencionales de mezcla completas. Con lo

cual se obtienen tiempos hidráulicos de retención notablemente inferiores y permiten un

incremento en la cantidad o volumen de carga a degradar.

Estos reactores son operados básicamente en forma continua con cargas diarias o

interdiarias, en las cuales el material a fermentar se encuentra suspendido en la solución.

3.5.3. Según el almacenamiento del gas

- Copula fija (Figura Nº 3.7 c)

- Copula móvil (Figura Nº 3.7 a) - Con depósito flotante, o de presión constante (Figura Nº 3.7 f)

- Con gasómetro de Caucho o material plástico en forma de Bolsa (Figura Nº 3.7 i)



48

3.5.4. Según su forma geométrica

- Camara vertical cilindrica (Figura Nº 3.7 b)

- Camara esferica (Figura Nº 3.7 e)

- Camara ovalada (Figura Nº 3.7 h)

- Camara rectangular (Figura Nº 3.7 d)

- Camara cuadrada (Figura Nº 3.7 g)

3.5.5. Por los materiales de construcción

- De ladrillo

- De mampostería

- De hormigón

- De hormigón armado

- De plástico

3.5.6. Según su posición respecto a la superficie terrestre

- Superficiales (Figura Nº 3.7 a)

- Semienterrados (Figura Nº 3.7 g)

- Subterráneos (Figura Nº 3.7 e)



49

Figura Nº 3.7 Clasificacion de los biodigestores

Fuente: Fundamentos basicos para el diseño de biodigestores anaerobicos rurales.

3.5.7. Modelo de digestores

Existen muchos modelos entre los mas populares tenemos "El modelo Chino", "El Modelo

Indio", "El Modelo Olade de Guatemala", "El Modelo Xochicalli". Los modelos "Plásticos Tubulares

y "Rectangulares", los materiales con que son construidos varían desde mampostería,

prefabricados, hasta metálicos de diferentes aleaciones; lo importante es que estén bien

construidos, para que se pueda cumplir el proceso.

3.5.7.1. Modelo Chino.

Este modelo está muy difundido en China, es un digestor de cúpula fija en forma esférica,

enterrados con cámaras de Hidropresión (ver figura 3.8).



50

La estructura puede ser de hormigón, de ladrillos, bloques y adobes, se le puede adicionar

el gasómetro. Este digestor por estar enterrado favorece el proceso fermentativo, con poca

influencia por los cambios de temperatura, la desventaja que presenta es que la presión del gas es

variable dependiente del volumen acumulado.

Figura Nº 3.8 Biodigestor tipo chino

Fuente: Difucion de la tecnologia del biogas en colombia

3.5.7.2. Modelo Indu

Es originario de la India y se ha difundido mucho porque mantiene una presion de trabajo

constante, generalmente son verticales, con el gasometro incorporado (Por lo que se llama

digestor de Copula Movil), la estructura se construye de bloques y concreto, y el gasometro es de

acero, lo que lo hace costoso.



51

El "Gasometro" posee una camisa que se desliza en un eje y lo mantiene centrado para

que no rose con las paredes ni escoree, este eje descansa en una viga transversal de concreto

armado enjaulado.

Estos digestores son de alimentation continua, se construyen generalmente enterrados

quedando la cupula sin gas en un nivel cercano a la superficie del terreno. (ver figura 3.9).

Figura Nº 3.9 Biodigestor tipo indu


3.5.7.3. Modelos Horizontales

Se habla de digestores horizontales cuando estos no profundizan en el suelo, son de

forma rectangular, aunque pueden ser cuadrados, se caractenzan por ser en su mayoria de

concreto armado debido a las presiones que estan sometidos. Su uso es generalmente para el

saneamiento de descargas cloacales, ya que su conformation alargada garantiza que el efluente al



52

salir del cuerpo del digestor, debido al flujo piston y al tiempo de retencion seen debidamente

degradados.

Estos digestores llevan generalmente en la parte superior una pequena cupula metalica

desmontable que sirve de boca de visita, la presión se controla por el sello de ague, ademas

requieren gasometro adicional debido a la poca capacidad de almacenamiento de la cupula y el

cuerpo del digestor.

Figura Nº 3.10 Biodigestor tubular tipo Taiwán de polietileno o geomembrana.

Fuente: Biodigestor de polietileno: construcción & diseño

3.5.7.4. Modelos Batch por lotes

Estos digestores se caracterizan porque se cargan una cola vez, tienen una cupula

metalica con sello de ague, la estructura se construye con bloques y concreto reforzado; la

desventaja es que se debe construir obligatoriamente un gasometro y al ser aereos estan

afectados por la temperatura ambiental, se utilize para degradar materias primas solidas, como

restos vegetates, desechos solidos organicos, el requisito basico es utilizar una buena inoculation,

(5 al 10% en base a1 peso), para garantizar una buena fermentation.

El rendimiento volumetrico de gas es superior a cualquier digestor continuo (debido al

contenido de solidos totales), igualmente el rendimiento de abonos solidos es elevado; por eso



53

este metodo permite el tratamiento sanitario de desperdicios organicos, el control satisfactorio de

toda clase de plagas, asi como la proliferation de moscas, asi mismo la recuperation eficiente y

economico del metano y la retencion de humus e ingredientes para usode fertilizantes (ver figura

3.11).

Figura Nº 3.11 Modelos Batch por lotes


3.6. SECUENCIA DE ACTIVIDADES PARA OPERAR LOS DIGESTORES

Se debe procurar un ambiente estrictamente anaerobico, ya que las bacterias

metanogenicas son muy sensibles al oxigeno y expuestas al aire, aunque sea por un par de

minutos moriran; sera dificil la digestion en presencia inclusive de rasgos de oxigeno, por ello el

digestor debe estar perfectamente sellado.

La secuencia de actividades en la operacion de los digestores es la siguiente:



54

3.6.1. Prueba de los nuevos digestores y mantenimiento de los antiguos.

Es necesario examinar detenidamente los nuevos digestores, para comprobar que no

tienen fugas ni filtraciones, deben verificarse y probarse antes de ponerse en marcha. Cuando un

digestor ya tiene mas de un ano de uso, se le debe hacer mantenimiento verificando su

impermeabilidad y sellado.

3.6.2. Preparación de la carga

Sobretodo cuando utilizamos digestores Batch, se debe reunir material suficiente con 20 0

30 dias antes de empezar el proceso, los tallos y otros residuos agricolas deben picarse en trozos

de 2 a 9 cm. antes de alimentar el digestor; si es posible se debe machacar, moler o licuar; estos

materiales almacenados por un tiempo, al sacarlos y tratarlos termicamente favorecen

ampliamente la fermentacion.

En algunos casos, como las excretas de aves, que contienen un alto contenfido de

amoniaco, o residuos vegetates poco degradables, Como cortezas de arboles o conchas de

cereales, se acostumbra tratarlos previamente con sustancias quimicas adecuadas (sales).

- En regimenes continuos Cuando se trabaja con excretas de animates, humans, o

descargas domesticas, mayormente no requieren preparation, sin embargo es conveniente

analizar que no tengan inhibidores del proceso, ni que tampoco tengan muchos elementos en

suspension y que no esten tan concentradas.



55

3.6.3. Verificación de la concentración y de la relación carbono-nitrógeno.

Como se dijo, la concentracion debe estar entre 7 - 9% y en relacion C/N, cuando se

busca produccion de gas, debe estar en el rango 20-30:1; para verificar la concentracion se puede

aplicar la siguiente relacion:

------------- (3)

En donde:

ST0 : Consentracion de solidos (%)

X1 : Masa de la muestra

X2 : Masa de la muestra a 105ºC

- Cuando la muestra es compuesta

------------- (4)

En donde:

STc : Consentracion de solidos en la materia prima compuesta (%)

Xi : Masa de la materia prima

STi : Consentracion de solidos para un sola materia prima (%)

- Calculo del agua contenida en el influente

------------- (5)

En donde:STc : Consentracion de solidos en la materia prima compuesta (%)

Xi : Masa de la materia prima

STi : Consentracion de solidos para un sola materia prima (%)

Xa : Masa del agua



56

3.6.4. Llenado del digestor

- En el tipo batch tenemos

Se puede mezclar en el suelo, los residuos agricolas (cortados) con los excrementos, el

inoculo (material de arranque) y el agua, luego se uniformiza y se llena el digestor.

Si no fuera posible esta operation se puede cargar eI digestor por capas alternadas y no

muy gruesas de materias primes e inoculo, tallos en la primera capa, luego excretas y a

continuation del inoculo; Ias capas se deben comprimir.

En algunos casos cuando no hay inoculo, se debe dejar fermentar la materia prima por

espacio de 1-2 semanas y luego se introduce al digestor. La mezcla se introduce por la cupula,

aplastando cada capa.

Despues de Ilenado el digestor se deja en compostacion de 1-3 dias, no debe cerrarse el

digestor en esta etapa para que pueda desarrollarse la digestion con bacterias facultativas y

aeróbicas.

Cuando la temperatura llega a 40-60°C (a los dos dias) se agrega aqua por las bocas de

toma y salida. Al terminar esta operation se determina el pH de la masa de fermentacion (con un

papel universal para pH)

El digestor puede sellarse con su cubierta movil cuando el pH sube a 6, sino alcanza este

valor sera preciso ajustar la acidez, agregando cenizas, aqua amoniacal o incluso cal hasta que

llegue a 7 y entonces se puede tapar el digestor.

Despues de sellar el digestor deben terminarse de instalar Ias griferias, conexiones para el

gas, asimismo la llave de paso debe ester cerrada.

Recomendacion. El inoculo puede ser aguas municipales, lodos del fondo de los lagos,

lagunas y estiercoleros, los lodos de mataderos y de fabricas de alimentos ofrece un medio

favorable para los microbios metanogenicos, tambien se puede utilizar lodo activo de las



57

alcantarillas y lodo del propio digestor. El inoculo debe ser el 10-15% del volumen que se va a

llenar y del 30% cuando proviene del mismo digestor.

Despues de cierto tiempo de descomposicion, los excrementos humanos, de animales y

otras materias primes de fermentation, asi como material de carga descompuesto con anterioridad,

mas un lodo activo, pueden servir coma material de arranque.

- En el digestor continuo tenemos

La carga inicial, en este caso se inocula preferiblemente con aguas de lagunas de

oxidation; el manejo se limita a un manejo hidraulico del sistema; para llenar el digestor se calcula

la carga diana o cieno de fermentacion (Cf) que viene dada por:

------------- (6)

------- (7)

Donde :

Cf : Cieno de fermentación

TRH : Tiempo de retención hidráulico

VL : Volumen liquido

Vm : Volumen de la materia prima

Va : Volumen de agua

El tiempo de retention se estima en funcion de la reduction diaria del sustrato, y es el

tiempo que va a estar dentro del reactor la carga dia que se introduce, antes de su disposicion

final.

Cada dia se introduce la carga diaria por la camara de entrada, la cual al llegar a la

camara de fermentation va a desplazar, mediante el principio fisico de flujo piston, un volumen de

materia estabilizada que va a salir por el tubo de salida.



58

- Producción de gas

A los 2 6 3 dias se empieza a producir gas, pero inicialmente tienen un alto porcentaje de

dioxido de carbono, cuando los gases de escape permiten tener una llama continua ya esta listo

para su uso.

En el caso del digestor continuo se debe esperar a que el digestor este en regimen, se

considera que esta en regimen cuando el volumen de gas que se produce diariamente se ha

estabilizado, se considera que esta estabilizado cuando existe una variacion diaria de + o - 25%

El gas producido se debe almacenar en un gasometro o se debe quemar o vertirlo al

medio ambiente despejado.

- Duracion de la digestion:

En el caso Batch. La production de gas aumenta al inicio del proceso, hasta alcanzar un

maximo y finalmente decrece, cuando gran parte del material ha sido descompuesto; el ciclo dura

de 1 a 2 meses.

En el caso semi continuo. Se agregan nuevas materias primas cada 5-6 dias. en un

volumen que equivale at 4 0 5% del volumen total.

En el caso continua. Se debe cargar todos los dias: la digestion dura mientras dure el

proceso.

- Descarga.

Antes de descargar el digestor se debe sacar todo el gas remanente que tenga dentro,

luego se quita la cubierta para hacer la limpieza.

Se debe dejar el 10% del lodo del fondo o de 10-30% del efluente como inoculo.



59

- Actividades Cotidianas

Se debe Ilevar un control de las presiones generadas en el proceso, medido en cm. de

agua a fin de evitar daños al sistema por el exceso de presion.

Observacion frecuente de los dispositivos del sistema para detectar fugas, filtraciones o

conexiones dañadas para su reparacion inmediata.

En los digestores batch se debe colocar una lamina de aceite de un (1 cm.) de espesor,

para proteger la cubierta contra la corrosion.

En los digestores experimentales o para investigaciones especificas, se debe llevar un

control de la eficiencia del sistema, medido en reducciones de los parametros como Demanda

Biologica de Oxigeno (DBO), Demanda quimica de oxigeno (DQO), Solidos Totales (S.T), Solidos

Volatiles (S.V), coliformes, etc. en funcion al objetivo que se busca.



60



CAPÍTULO IV

CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS




61

CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS

4.1. PARÁMETRO DE DISEÑO

El diseño de los digestores debe responder tanto al lugar como el grado de aplicación y a

la finalidad de la tecnología. Conociendo la región, la localidad, y el lugar donde va a estar ubicada

la planta, y en función al material de carga que se dispone y que se va a tratar, o de acuerdo a las

necesidades de producción, se seleccionara el sistema de digestión más adecuado, de acuerdo a

una secuencia o flujo que permita tener una idea clara del tamaño y forma del digestor necesitado.

4.1.1. Disponibilidad de biomasa

- Producción por hectárea

La cantidad de semillas que contiene en promedio un fruto (mazorca) de cacao equivale al

tercio del peso total, más o menos unas treinta semillas por fruto. Con un contenido de humedad

del 60 %. El contenido de humedad para una almendra seca es del 6%.

Cuadro Nº 4.1 Producción de almendra seca por hectárea

DENSIDAD POBLACIONAL VARIADADPRODUCCIÓN

(Año)UNIDAD

1111,0000 CCN - 51 1500 Kg



62

- Producción anual de almendra húmeda

Donde

H : Porcentaje de humedad

X0 : Masa húmeda

Xf : Masa seca

- Producción diaria de almendra húmeda

- Producción cascara húmeda

Donde:

Xt = Masa total del fruto

Xc = Masa de la cascara

Xp= Masa total del grano



63

- Producción total de cascara húmeda

La materia orgánica total disponible proviene de 5 hectáreas.

4.1.1.1 Características físico-químicas

Cuadro Nº 4.2 Características fisicoquímicas de la cascara del cacao

CARACTERISTICAS DESIGNACION UNIDAD

Densidad 800 Kg/m

Humedad 80 %

Sólidos totales 20 %

Sólidos volátiles 17 %

Relación carbono - nitrógeno 30

Gas producido por unidad de sustrato 250

l de gas

1Kg de SV

4.1.2. Cantidad de agua añadida

La cantidad de agua añadida se termina considerando el 8% de los sólidos totales de la

mezcla.



64

4.1.3. Cantidad de carga diaria

La cantidad de carga diaria o cieno de fermentación (Cf),

4.1.4. Tiempo de retención hidráulica

Para el cálculo se ha considerado una temperatura de 35 ºC.

4.1.5. Volumen de la cámara de fermentación

El volumen de la cámara de digestión ó volumen total (VT) del digestor ha de albergar una

parte liquida y otra gaseosa, normalmente de da un espacio de 75% del volumen total a la fase

liquida y de un 25% restante a la fase gaseosa.

- Volumen gaseoso (VL)



65

- Volumen gaseoso (VG)

- Volumen total (VT)

4.1.6. Producción de biogás diario

La cantidad de biogás generado cada día (G), se calcula sobre la base del gas producido

(Gy) que produce la unidad de sustrato y la cantidad diaria de sustrato

El valor de (Gy) puede ser estimada a partir de datos de la literatura y representa la

cantidad de sólidos totales.

4.1.7. Cantidad de energía consumida

Para determinar la demanda de mensual de biogás equivalente al consumo de

combustible fósil actual se ha tomado los datos del cuadro Nº B6 del anexo



66

Cuadro Nº 4.3 Consumo mensual decombustible fósil

CONSUMO DE COMBUSTIBLE MENSUAL DE FOSIL

DESCRIPCION DESIGNACION CANTIDAD UNIDADPERIODO

(Hr/d)GLP 4 BOLONES DE 15 Kg ó 0,0284 m 0,1136 m 24Leña 350Kg 350,0000 Kg 3Gasolina 15 galones 56,7750 l 3

Cuadro Nº 4.4 Costo mensual por consumo de combustible fósil

COSTOS POR CONSUMO DE COMBUSTIBLE FOSIL

ITEN COMBUSTIBLE UNIDAD METRADO PRECIOUNITARIO(S/.)

SUBTOTALMENSUAL(S/.)

1,00 Análisis de costos1,01 Gas licuado de petróleo (GLP) balon 4 38,00 152,001,02 Gasolina galon 15 12,00 180,001,03 Colección de Leña h-h 2 20,00 40,00

TOTAL 372,00

Cuadro Nº 4.5 Demanda mensual de biogás.

DEMANDA MENSUAL DE BIOGAS

ACTIVIDAD

COMBUSTIBLE FOSIL EQUIVALENCIAAPROXIMADA

DE 1 m3 DEBIOGAS

CANTIDADm3 COMB. CANTIDAD UNID.

Refrigeración GLP 0,1136 m3 0,25 0,4544

Cocina LEÑA 350,0000 Kg 3,74 93,5829Generador eléctrico de650 w

GASOLINA 56,7750 l 0,80 70,9688

TOTAL 165,0060

Cuadro Nº 4.6 Costo mensual por consumo de combustible fósil

COSTOS POR PRODUCCIÓN DE BIOGAS

ITEN DESIGANACIÓN UNIDAD METRADOPRECIO

UNITARIO(S/.)

SUBTOTALMENSUAL

(S/.)1.00 Análisis de costos

1,01Colección y preparación de Cascarade cacao h-h 5 20,00 100,00



67

4.1.8. Tamaño del tanque de almacenamiento de biogás

La experiencia práctica indica que el 40 ± 60% de la producción diaria de gas

normalmente tiene que ser almacenada por lo tanto en la mayoría de los casos se requiere de un

tanque de almacenamiento del biogás.

Para este caso el tamaño se determina con base al cero consumo de gas.

Donde:

G : Máximo consumo de gas

tz max : Tiempo máximo de cero consumo

4.1.9. Producción de efluente por día (Pe)

Durante la fermentación se pierde una fracción de solidos totales que se transforman en

gas. Esta fracción depende de la producción especifica de gas.

4.2. DIMENSINAMIENTO DEL BIODIGESTOR

4.2.1. Tanque de carga y tanque de compensación

Altura : 1.27 m

Diámetro : 1.00 m

Volumen : 1.00 m3



68

4.2.2. Ducto de entrada y de salida

Tanto del ducto de entrada de la carga de fermentación como el de salida del efluente

tiene las dimensiones siguientes:

- Ducto de entrada

Largo : 2.8417

Diametro : 15.24 (6´)

- Ducto de salida

Largo 17275 m

Diametro : 1 m

4.2.3. Cámara de fermentación

Figura Nº 4.1 Cámara de fermentación



69

- Volumen gaseoso (VG)

Figura Nº 4.2 Volumen liquido ± volumen gaseoso

4.2.4. Tapa de inspección y mantenimiento

Diámetro : 1.00 m

Espesor : 0.09 m

4.2.5. Colector de gas o gasómetro

Diámetro : 1.00 m

Altura : 1.50 m



70



CAPÍTULO V

METRADO Y PRESUPUESTO


2.- informe

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