BIOENERGÍA

FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES: SON AQUELLAS QUE SE PRODUCEN O

LLEGAN EN FORMA CONTINUA A LA TIERRA Y QUE A ESCALAS DE TIEMPO REAL PARECEN SER INAGOTABLES: ENERGÍA HIDRÁULICA, ENERGÍA SOLAR, ENERGÍA

EÓLICA, ENERGÍA DE BIOMASA, ENERGÍA MAREOMOTRIZ.

FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES: SON AQUELLAS QUE SE ENCUENTRAN

EN FORMA LIMITADA EN NUESTRO PLANETA Y SE AGOTAN A MEDIDA QUE SE LES CONSUME: EL CARBÓN, EL PETRÓLEO, EL GAS NATURAL, LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, LA ENERGÍA NUCLEAR.

PRODUCCIÓN DE BIOGAS:

1. CONSIDERAQIONES GENERALES:

El biogás se le define como una mezcla de gases, cuya composición varía de acuerdo a los detalles de su producción, la que procede de la digestión anaerobia de los excrementos de animales presenta la siguiente composición: CH4 , 50-70%; CO2 , 30-50%; H2S , …1%; H2 , 2%.

Entre las propiedades físicas que presenta se tiene: tiene la capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente de 21,5 MJ m -3 (573 BTU por pie cúbico o 5135 kcal m -3 ).

Para su producción se emplean los biodigestores. El biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión

anaerobia (en ausencia de oxígeno) de las bacterias que ya habitan en el estíercol, para transformar este en biogás y fertilizante.

El biodigestor es un recipiente en el cual para la fermentación debe presentar un 10-15% de su volumen total como espacio vacío para el almacenamiento del gas.

En los biodigestores para iniciar la fermentación se debe colocar una adecuada población de bacterias (inóculo) formadoras de ácidos y de metano, para asegurar una rápida formación de biogás, a este proceso se le conoce como sembrado del digestor y para tal efecto se puede emplear lodos activados provenientes de desagües, barro podrido, estiércol u

otra materia orgánica podrida en pozos, líquido ruminal (se consigue en los camales), y bioabonos procedentes de digestores en funcionamiento. El volumen del inóculo es del 10% del volumen total a cargar en el digestor.

El proceso fermentativo se inicia en condiciones químicas y ambientales favorables incubando al biodigestor cargado con materiales orgánicos y agua que se descomponen por acción microbiana para producir a lo largo del proceso grandes burbujas que fuerzan su salida hacia la superficie donde se acumula el gas, terminando el proceso después de semanas o meses.

En el biodigestor sucede la digestión anaerobia, de polímeros naturales y en ausencia de compuestos inorgánicos, en tres etapas: 1) hidrólisis y fermentación: en la que la materia orgánica es descompuesta por bacterias hidrolíticas anaerobias que hidrolizan las moléculas solubles en agua, como grasas, proteínas y carbohidratos, y las transforman en monómeros y compuestos simples solubles; 2) acetogénesis y deshidrogenación, donde los alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo ácido acético, CO2 e hidrógeno que son los substratos de las bacterias metanogénicas; 3) metanogénica en la que se produce metano a partir de CO2 e hidrógeno, a partir de la actividad de las bacterias metanogénicas.

Los microorganismos que en forma secuencial intervienen en el proceso son: 1) bacterias hidrolíticas y fermentadoras; 2) bacterias acetogénicas obligadas reductoras de protones de hidrógeno (sintróficas); 3) bacterias sulfato reductoras (sintróficas facultativas) consumidoras de hidrógeno; 4) bacterias homoacetogénicas; 5) bacterias metanogénicas; 6) bacterias disnitrificantes.

Las condiciones óptimas para que las bacterias completen su ciclo biológico en la digestión anaerobia son: 1) Temperatura, para bacterias mesófilas de 15 a 45 ºC con óptimo de 35ºC, para bacterias termófilas de 35 a 60ºC con óptimo de 55ºC; 2) Hermetismo, el tanque de fermentación debe estar completamente cerrado; 3) Presión, la presión subatmosférica de 6 cm de agua dentro del biodigestor es considerado la óptima; 4) Tiempo de retención es el tiempo promedio en que la materia orgánica es degradada por los microorganismos, se ha observado que a un corto tiempo de retención se produce mayor cantidad de biogás, pero un residuo de baja calidad fertilizante por haber sido parcialmente digerido, pero para

tiempos largos de retención se obtiene un rendimiento bajo de biogás pero con un efluente(residuo) más degradado y con excelentes características como fuente de nutrimentos; 5) Relación de C/N, la relación óptima de carbono nitrógeno es de 30:1, cuando la relación es muy estrecha (10:1) hay pérdida de nitrógeno asimilable, lo cual reduce la calidad del material digerido, si la relación es muy amplia (40:1) se inhibe el crecimiento debido a falta de nitrógeno; 6) Porcentaje de sólidos, el óptimo en la mezcla a digerir es de 7 a 9 y se consigue al diluir el material orgánico con agua; la concentración de los sólidos totales debe ser de 8 -10% según otros autores ; 7) pH, en biodigestores operados con estiércol de bovino los óptimos de operación oscilan entre 6,7 y 7,5 con límites de 6,5 a 8,0; la reacción de la materia cruda debe ser neutra a ligeramente alcalina; 8) Agitación, importante para establecer un mejor contacto del substrato con las bacterias.

Entre los factores que afectan la producción de biogás, además de los mencionados, están también:

1) Nivel de carga: se calcula como la materia seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de volumen de digestor. La materia orgánica o sólidos volátiles se refiere a la parte de la MS o sólidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superior a 500ºC. Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10%. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10% en la mayoría de los casos, por eso, los residuales de granja se deben diluir antes de ser tratados.

2) Eficiencia de producción de biogás: se determina expresando generalmente el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde el 1% al 30%. La concentración óptima depende de la temperatura. En china la concentración óptima es de 6% en el verano a temperatura entre 25-27ºC y entre 10 y 12% en la primavera a temperaturas de 18 a 23ºC.

3) Tiempo de retención: un buen tiempo de retención es de 90 a 110 días. Existen dos parámetros para identificar el tiempo

de retención de las sustancias en el biodigestor; 1) El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB): que se determina dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al digestor entre la cantidad de MO que sale del sistema cada día. Se asume que TRSB representa la media del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor. 2) tiempo de retención hidráulico (TRH): es el volumen del digestor (VD) entre la media de la carga diaria. El volumen de la carga diaria o carga periódica diaria se puede calcular por la siguiente fórmula:

Volumen efectivo del digestor (m 3 )

Volumen de carga (m 3 /día) = --------------------------------------------- Tiempo de retención

Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de alto nivel los cuales ha alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa. La medición del TRH es más fácil y más práctico que el TRSB al nivel de las granjas.

Por ello es necesario estimar un tiempo de retención según la temperatura a la que se trabaje. El tiempo de retención es la duración del proceso de digestión anaerobia, es el tiempo que requieren las bacterias para digerir el lodo y producir biogás. Este tiempo, por tanto, dependerá de la temperatura de la región donde se vaya a instalar el biodigestor. Así, a menores temperaturas se requiere un mayor tiempo de retención que será necesario para que las bacterias, que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás.

4) La carga no debe contener materiales tóxicos e inorgánicos. 5) La carga se debe hacer temperada, por lo que debe

efectuarse en las tardes.6) Cuidar de no introducir material fibroso sin prefermentar

(pajas).

El biogás obtenido es más confiable como combustible si es más del 50% como metano.

El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, calefacción o iluminación, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad.

Los biodigestores pueden ser de varios tipos:

Biodigestores familiares de bajo costo: Están construídos 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.

Biodigestor familiar de bajo costo instalado en Pakuani La Paz, Bolivia) a 4221 metros sobre el nivel del mar. Este biodigestor produce biogás suficiente para cocinar 4-5 horas al día, alimentándolo con 20 kg de estiércol fresco y 60 litros de agua diariamente. Produce además 80 litros de fertilizante al día. Como curiosidad, este es el biodigestor más alto del mundo funcionando.

PLANTA BALÓN:

Está compuesta de una bolsa plástico (PVC) o de caucho. El gas es almacenado en la parte superior de la bolsa de fermentación. La entrada y la salida están sujetas directamente a la bolsa. La planta trabaja como una planta de cúpula fija cuando la cámara de gas está henchida. Por lo tanto el balón no es inflado, sólo es poco elástico. Es importante para regiones con alto nivel freático. Se construyen con materiales como el RMP (Red Mud Plástic).

DE CAMPANA FLOTANTE O TIPO HINDÚ:

Se compone de un digestor y de un depósito de gas móvil. Este flota ya sea directamente en el cieno de la fermentación o en un anillo de agua propio. El gas se acumula en la campana haciéndola subir. Cuando se extrae gas aquella vuelve a bajar. El gas almacenado es directamente visible.

En estos digestores se usa como carga inicial sólo estiércol diluído con agua, en una proporción aproximada de 1:1, por lo que no es necesario preparar con anticipación la carga inicial.

Para la campana que flota sobre el residual del biodigestor que es donde se almacena el biogás algunas han sido construídas

de cemento, ladrillos, acero, fibra de vidrio, etc. En cuanto a su uso social y volumen pueden ser individual o comunal.

DE TIPO CHINO O CÚPULA FIJA O BORDA SIN CAMPANA:

Es un biodigestor cerrado con cámara de gas inmóvil y fija. El gas es almacenado en la parte superior del digestor. Es recomendable para sitios donde la obra de construcción es supervisada.

En estos digestores se pueden utilizar diversidad de subproductos agropecuarios, por lo que es necesario realizar un cálculo previo sobre la cantidad de materiales, los mismos que deben sufrir un tratamiento (compost) antes de ser incorporados en el digestor.

Existen de diferentes formas y capacidades, y con diferentes materiales, pero tienen un diseño básico en el que el biogas es colectado en una cúpula fija.

DIGESTOR DE TIPO TUBULAR O DE “PLUG FLOW”:

Es una modificación del Digestor planta balón.

Hecho de goma, polietileno o de Red-Mud-Plástic (RMP)

Biodigestores según el régimen de carga:

DE LOTE O BATCH: se cargan de una vez en forma total o por intervalos durante varios días, y la descarga se efectúa cuando han dejado de producir gas combustible. Es aplicable cuando se presentan problemas de manejo o cuando la materia orgánica stá disponible de forma intermitente.

DE RÉGIMEN SEMICONTINUO: es más utilizado en la zona rural, cuando se trata de sistemas de uso doméstico. Se cargan por gravedad una al día con volúmenes de mezcla que dependen del tiempo de fermentación. Producen una cantidad de gas constante al día. Son los más utilizados en la agricultura.

DE RÉGIMEN CONTINUO: Son plantas de gran tamaño en la que se emplean equipos comerciales para alimentarlos, proporcionarles agitación y control. Por estas razones son grandes consumidoras de energía.

COMPLETAMENTE MEZCLADOS: A diferencia de los anteriores estos requieren menos tiempo de retención (10 a 30 días). Son aplicados a residuos con alto porcentaje de sólidos totales, a fin de lograr un mayor contacto entre la masa microbiana y el sustrato en cuestión. La principal desventaja de estos biorreactores la constituyen las bajas velocidades de carga con que pueden ser operados y los relativamente altos tiempos de retención requeridos, unido a la complejidad del sistema de mezclado, sobre todo en su construcción y mantenimiento.

DE DOS ETAPAS: Existen múltiples combinaciones de biodigestores de dos etapas. La concepción de estos sistemas está basada en el hecho de que varios grupos de bacterias involucradas en el proceso de descomposición de la materia orgánica compleja requieren de diferentes condiciones de pH y tiempo de retención para su crecimiento óptimo. En estos sistemas en el primer digestor ocurre la hidrólisis y la acidogénesis de la materia orgánica compleja, mientras que en el segundo se lleva a cabo la acetogénesis y la matanogénesis del material acidificado. Presentan como desventaja largos tiempo de retención hidraúlicos requeridos en la primera fase del tratamiento y las bajas eficiencias de conversión reportadas.

DE DIGESTIÓN ANAEROBIA SECA: es en la que tiene lugar el proceso de degradación de residuos orgánicos con concentraciones de sólidos totales del orden del 20% o superiores. Las principales ventajas de este sistema en comparación a los anteriormente citados, en este clasificación, son: 1) Bajos consumos de agua: Solamente se requiere una mínima cantidad de agua para llevar a cabo el proceso; 2) El volumen del reactor es relativamente pequeño, debido a la alta densidad de materia orgánica con que es operado; 3) Los requerimientos energéticos, con el fin de mantener con una temperatura controlada el sistema, son bajos (producción endógena) .