DESARROLLO Y PERSPECTIVAS DE LA TECNOLOGÍA DEL BIOGÁS EN LOS PAÍSES SUBDESARROLLADOS

DEVELOPMENT AND PERSPECTIVES OF BIOGAS TECHNOLOGY IN

UNDERDEVELOPED COUNTRIES Dr. Lic. Pedro Julio Villegas Aguilar

Centro de Estudio de Termoenergética Azucarera (CETA), Facultad de Ingeniería Mecánica, UCLV, Santa Clara, 54830, CUBA. Teléfono: 53 42 281194-Fax: 53 42 281608

pjva@uclv.edu.cu

RESUMEN En este trabajo se ofrece un estudio detallado de una de las formas más extendidas de

gestión de residuos orgánicos, esta es, uno de los dos métodos bioquímicos más usados: la

fermentación metánica para la obtención de biogás. El estudio incluye los aspectos teóricos

de la digestión anaerobia, cuyo rendimiento está directamente relacionad con las variables

operacionales del proceso, fundamentalmente la temperatura, también se detallan los

aspectos económicos más importantes asociados a esta tecnología, así como los principales

tipos de digestores que con mayor frecuencia pueden encontrarse en la práctica. Finalmente,

se brinda una metodología sencilla para el dimensionamiento estas instalaciones. El trabajo

concluye con un resumen de las principales aplicaciones, ventajas y desventajas de esta

tecnología, la cual sin dudas ofrece un escenario adecuado para el tratamiento de residuales,

labor siempre necesaria en los países en vías de desarrollo, carentes de tecnologías

altamente sofisticadas para tales fines.

Palabras claves: biogás, fermentación anaerobia, energías renovables,

ABSTRACT In this work a detailed study of one of the most extended ways to organic wastes

administration is presented, this it is, one of the two more used biochemical methods: the

methane fermentation for biogas obtaining. The study includes the theoretical aspects of the

anaerobic digestion whose yield is directly relate with the operational variables of the process,

mainly the temperature, the more important economic aspects associated of this technology,

as well as the main kind of digesters that we can find frequently in the daily practice are also

detailed. Finally, a simple methodology for the dimension of these installations is offered. The

work concludes with a summary of the main applications, advantages and disadvantages of

this technology, which offers an appropriate scenario for the treatment of residual without

doubts, work always necessary in the developing countries, lacking of highly sophisticated

technologies for such ends.

Key words: biogas, fermentation anaerobia, renewable energy.

I. INTRODUCCIÓN Es un aspecto bien conocido, que el 90 % de las necesidades energéticas de nuestro planeta

son satisfechas con la utilización de combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón) Todos ellos

extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por el interés

predominante de la producción de energía sobre el de su efecto ecológico.

Como es conocido en los últimos años, las fuentes renovables de energía han ido

adquiriendo globalmente una importancia cada vez mayor, básicamente por razones

energéticas y ambientales. El déficit de energía que sufre el mundo actual y en particular los

países subdesarrollados, tiene una situación cada vez menos favorable. Las fuentes

tradicionales de energía (combustibles fósiles, electricidad, etc.), no parecen ser solución a

largo plazo. Si trasladamos este déficit a las zonas rurales, el problema se agrava aún más,

ya que la carencia de la energía obligará a los campesinos a satisfacer esta necesidad,

utilizando a gran escala la leña y desperdicios agrícolas (estiércol y residuos de cosecha).

Este problema plantea la necesidad de encontrar una tecnología apropiada, utilizando

recursos locales disponibles como son los residuos orgánicos (heces humanas, estiércoles y

plantas), los cuales pueden ser usados como simple medio para producir energía y bio-

fertilizantes por medio de plantas de biogás. De esta manera se mejorará la vida de los

campesinos, se incrementará la producción agrícola y se preservará el medio ambiente.

II. DESARROLLO Como ya se conoce el uso de las energías renovables no es un hecho novedoso, fueron

ellas las primeras utilizadas por el hombre; sin embargo la aparición de los combustibles

fósiles las relegó por muchos años al olvido. En la actualidad el panorama ha cambiado, por

una parte los problemas medioambientales debidos en un significativo porciento a los

procesos de conversión energética y en su totalidad a la acción indiscriminada del hombre

sobre la biosfera y por otra parte la convulsa situación del mundo del petróleo (portador

energético fundamental en la actualidad) que ha enfrentado tres crisis en menos de 50 años

han puesto de nuevo sobre el tapete las olvidadas energías renovables; y aunque es cierto

que todavía enfrentan detractores cada día ganan más adeptos y aumenta su cuantía dentro

de la satisfacción global de los requerimientos energéticos de la humanidad.

II.1. Biomasa Desde que el hombre aprendió a emplear el fuego, la cocción de alimentos ha llegado a ser

una de las actividades fundamentales para su subsistencia. Para esto se han utilizado

diferentes combustibles, entre ellos la biomasa vegetal. La biomasa, es toda aquella materia

orgánica originada como consecuencia de procesos biológicos. Por tanto debe entenderse

por ésta, las plantas y todo producto vegetal, los animales que directa o indirectamente se

alimentan de ellas, y todos los residuos generados por la actividad de los seres vivos.

El componente energético de la biomasa procede de la energía solar, que las plantas son

capaces de transformar, mediante el proceso de la fotosíntesis, en energía química,

almacenada en forma de hidratos de carbono. Se suelen encontrar tres tipos de biomasas,

vegetal, animal y residual. Se conoce que casi tres mil millones de personas en el mundo

emplean todavía la leña como fuente de energía para calentar agua y cocinar, lo que

provoca, junto a otros efectos, que anualmente se pierdan en el mundo entre 16 y 20

millones de hectáreas de bosques tropicales y zonas arboladas.

II.1.1. Gestión de residuos orgánicos Los residuos o subproductos orgánicos puede dejar de considerarse como un grave

problema, debido al costo de su manejo y disposición, las molestias dado sus indeseables

olores, así como el espacio físico que ocupan, si se implementa una forma de valorar sus

potencialidades, lo que conduce a convertir un problema en una oportunidad.

La gestión de residuos orgánicos se realiza a través de dos procesos fundamentales:

I. Eliminación, la cual suele realizarse mediante:

• Incineración;

• Incorporación al suelo;

• Vertedero.

II. Valorización, realizada mediante:

• Alimentación animal;

• Compostaje;

• Incineración con aprovechamiento del calor.

Existen otros mecanismos de gestión poco implementados en los países subdesarrollados,

entre los que pueden mencionarse:

I. Transformaciones biotecnológicas;

II. Extracción de sustancias de alto valor;

III. Valorización energética.

II.1.2. Formas de valorización energética Existen tres métodos fundamentales de valorización energética de la biomasa, éstas son:

I. Métodos termoquímicos, éstos comprenden:

• Combustión;

• Pirólisis;

• Gasificación;

• Liquefacción.

II. Métodos químicos: el más difundido y extendido es el proceso de trans-esterificación de

los aceites vegetales para la obtención de biodiesel.

III. Métodos bioquímicos, dentro de éstos se destacan fundamentalmente:

• La fermentación alcohólica, para obtener bioetanol;

• La fermentación metánica para la obtención de biogás.

II.2. Obtención de biogás a partir de desechos orgánicos El alto costo de las inversiones iniciales a realizar limita en muchos países en vías de

desarrollo el empleo de las energías renovables. El biogás, ilustrado en la Figura 1,

constituye una abundante y barata fuente de energía y de fácil obtención a partir de

desechos animales, vegetales e industriales. Esta energía puede ser utilizada en numerosos

procesos que tienen incidencia en la economía, no solo por la generación de energía sino

también por la producción de abonos orgánicos de alta calidad.

Una tecnología es apropiada cuando logra imponerse. Las plantas de biogás no cuentan aún

gran aceptación. Estas con plantas sencillas no han sido, probablemente, bien adaptadas.

Una planta de biogás es manejada y mantenida correctamente, si satisface las necesidades

de reconocimiento y comodidad del dueño. Entonces está dispuesto a adaptarse a las

necesidades de la planta de biogás.

Figura 1. Esquema del digestor: 1. tubería de salida del gas; 2. Sello removible; 3. Tapa

móvil; 4. Entrada de biomasa;

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

orgánica.

La planta de biogás es apropiada para las condiciones técnicas y posibilidades económicas

de los campesinos del Tercer Mundo. La tecnología del biogás está bien adaptada a las

exigencias ecológicas y económicas del futuro, es una tecnología de avanzada. Pero existe

un problema de imagen, la planta de biogás está vista como para “gente pobre”, quien no

quiere ser visto de esta forma no se compra una planta de biogás.

El constructor deberá contribuir con una buena construcción, garantizando su buen

funcionamiento, debe ser un símbolo de desarrollo social, no de precariedad. Tal ves la

simplicidad de su concepto y construcción juega en contra, pero aún estamos lejos de

alcanzar el tope del desarrollo de las plantas de biogás, y aún queda mucho por investigar

acerca de lo que pasa dentro del digestor.

II.3. Panorama internacional Asia es el continente que más instalaciones de biogás ha reportado. Desde 1973 se

estableció la Oficina de Difusión del Biogás y posteriormente el Centro Regional de

Investigación en Biogás para Asia y el Pacífico Sur adjunto al Ministerio de la Agricultura. En

la República Popular China la situación actual en las zonas rurales se caracteriza por una

grave escasez de energía donde alrededor de 130 millones de familias carecen de

combustible para uso doméstico durante tres meses del año. El 70 % de combustible para

uso doméstico proviene de paja y tallos de cultivos. El estado solo puede solucionar el 13 %

de las necesidades energéticas individuales para el sector rural. Actualmente funcionan en

ese país aproximadamente 6,7 millones de instalaciones de este tipo.

En la India, país donde se construyó la primera instalación para producir biogás, en fecha

cercana al año 1900,alrededor de 500 000 familiares utilizan plantas de biogás, para producir

energía como sustituto del combustible doméstico.

Figura 2. Ejemplo de digestor hindú.

Hoy existen en la India plantas demostrativas multifamiliares donde el gas se hace llegar por

tuberías a cada vivienda sobre la base de un precio módico por consumidor. En la localidad

de Masudpur el Estado ha construido una planta de biogás multifamiliar a partir de

excrementos humanos y vacunos. El digestor de alrededor de 194 m3 de capacidad tiene una

campana de acero de 85 m3 y el biogás se envía a 12 viviendas separadas de la instalación

productora en 1 km de distancia. Hoy 31 comunidades cuentan con plantas de biogás

multifamiliares que trabajan eficientemente porque son atendidas con esmero.

En Europa existen alrededor de 564 instalaciones productoras de gas biológico que

representan unos 269 000 m3 de digestores. De estas 174 000 m3 digestores corresponden a

instalaciones industriales. El resto, 95 000 m3 de digestores corresponden a instalaciones

agrícolas. Al inicio el desarrollo del biogás fue más fuerte en la zona rural. Hoy el tratamiento

de desechos municipales mediante instalaciones productoras de energía y abonos llevan el

peso fundamental en el desarrollo de esta tecnología donde se trabaja fuertemente por lograr

cada día una eficiencia más óptima de procesos con tiempo de retención extremadamente

bajos.

En Estados Unidos existen algunas plantas de biogás de gran tamaño y que funcionan bien.

Otra instalación significativa resulta la de una planta de biogás construida para el

procesamiento de excreta de vacas lecheras en la ciudad de Monroe, y Washington. Esta

instalación posee un digestor de 190m3 de capacidad comenzó a trabajar en 1977 concebida

para 200 vacas estabuladas.

II.3.1. Situación de los países subdesarrollados En América Latina se hacen esfuerzos aislados en distintos países, con el propósito de

extender la tecnología del biogás a las condiciones de vida e idiosincrasia de nuestros

pueblos.

La solución de tratamiento a los residuales en forma anaerobia (sin oxígeno), es más efectiva

y controlada que las soluciones tradicionales de tratamiento que acostumbramos a hacer

mediante lagunas de oxidación, vertimientos a cañadas, ríos o al mar directamente en

algunos casos. No hay problemas de desastres ecológicos. En los países del tercer mundo

existen ejemplos convincentes de vertimientos biodegradantes que han destruido bancos de

mariscos de flora costera, muertes de peces en ríos y presas, contaminación de aguas para

uso social, destrucción de la vida marina en la desembocadura de los ríos contaminados, etc.

En la mayoría de estos países aún no sanciona o penaliza el desastre ecológico diario que

provocan los organismos vertedores de residuos. El tratamiento de residuales mediante

fermentación anaerobia elimina los malos olores de la descomposición de cualquier materia

orgánica, no atrae moscas u otros vectores y evita los problemas de infiltración de materia

orgánica sin digerir al manto freático o cursos de agua.

No obstante, hasta la actualidad se ha desarrollado una mala imagen del biogás. Las causas

de esta mala imagen están asociadas con:

No se elaboraran buenos proyectos o soluciones a base de biogás. A pesar de que se

tienen buenas ideas, éstas se implementan sin un análisis adecuado, provocando que

con el transcurso del tiempo se observen problemas constructivos. Unido a esto no se

realiza una adecuada capacitación al personal encargado de su atención.

La idiosincrasia del campesino no esta adaptada a trabajar con residuos de animales de

forma gustosa. Por esta razón debe estimularse mejor este trabajo adicional al ordeño

manual y otras labores ganaderas.

No ha existido una adecuada atención a estas instalaciones por parte de los gobiernos.

El campesino no conoce que el biogás es la solución más viable para la cocción de sus

alimentos.

II.4. Qué es el biogás Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición

de la materia orgánica sin la presencia del oxígeno del aire. Esta descomposición tiene lugar

debido a la acción de cuatro tipos de bacterias, en ausencia de oxígeno: las hidrolíticas, que

producen ácido acético, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros

compuestos policarbonados; las acetogénicas, productoras de hidrógeno; las

homoacetogénicas, que pueden convertir una cantidad considerable de compuestos

multicarbonados o monocarbonados en ácido acético; y las metanogénicas, productoras del

gas metano, principal componente del biogás.

Este combustible tiene un alto valor calórico de 4700 a 5500 kcal/m3 y puede ser utilizado en

la cocción de alimentos, para la iluminación de naves y viviendas, así como para la

alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas herramientas,

molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos agrícolas o de

cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo

biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el último eslabón en una

cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la

descomposición al medio ambiente.

El biogás esta compuesto fundamentalmente por:

1. Metano (CH4): 55 a 70 %.

2. Dióxido de carbono (CO2): 35 a 40 %.

3. Nitrógeno (N2): 0.5 a 5 %.

4. Sulfuro de hidrógeno (H2S): 0.1 %.

5. Hidrógeno (H2): 1 a 3 %.

6. Vapor de agua: Trazas.

Como se observa el aporte calórico fundamental lo ofrece el metano cuyo peso especifico es

de alrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo

de CO2. De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede

llegar hasta 8 260 kcal/m3 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina. El uso

del biogás en motores de combustión interna permite que se soporten altas compresiones sin

detonaciones.

II.5. Costo-beneficio de la planta de biogás Una planta de biogás suministra energía y abono, mejora las condiciones higiénicas y no

daña el medio ambiente, es una fuente de energía moderna que en el caso de las viviendas

rurales, puede ser montada en el lugar donde se consumirá la energía, evitando los extensos

y caros tendidos eléctricos rurales, es renovable y con un mínimo mantenimiento. No se

necesita un alto grado de capacitación para operarla.

Pero todo lo antes citado es posible solamente si está bien construida. Hagamos un balance

de los gastos de construcción medidos en energía producida por la planta:

Para 1 m3 de mampostería se consume 1000 kWh o 180 m3 de biogás.

Para 10 kg de acero se consume 1200 kWh o 200 m3 de biogás.

Para 1 kg de pintura al aceite, 170 kWh o 28 m3 de biogás.

Para 1 km recorrido en camión, 1.5 kWh o 1.05 m3 de biogás.

Para 1 km recorrido en automóvil, 0.5 kWh o 0.35 m3 de biogás.

Para amortizar la inversión inicial, la planta debe funcionar por 2 años por lo menos. En

realidad, el verdadero beneficio será evaluado por cada propietario en particular, ya que

dependerá del valor y cantidad de combustible que reemplaza el biogás o el costo de la

energía reemplazada.

Estas instalaciones tienen como ventaja su elevada vida útil (pueden llegar como promedio a

20 años), siempre que se realice un mantenimiento sistemático. Estos sistemas poseen

como desventaja el alto costo de la inversión inicial; por ejemplo, una instalación de 5 m3,

que permite la elaboración de alimentos para familias de cuatro personas, tiene una inversión

inicial de 700 a 900 USD, lo que ha impedido su generalización en América Latina.

En la actualidad se han probado nuevos diseños que han logrado disminuir

considerablemente los costos iniciales de los biodigestores. Una de estas instalaciones son

las plantas de biogás hechas de polietileno. Este sistema puede tener distintas

configuraciones: alargado, en forma de gusano o en forma de saco, y es de fácil instalación.

Los componentes fundamentales de este biodigestor son: un bolso de polietileno de película

delgada capaz de soportar las presiones normales de trabajo del biogás y donde se

almacena la excreta mezclada con agua; siempre se debe dejar el volumen necesario para

almacenar el biogás; con el fin de lograr el buen funcionamiento de la instalación son

necesarios otros accesorios como: válvulas de corte, de seguridad, tuberías y adaptadores.

Este tipo de instalación es muy económica, el costo de un biodigestor es de 50 USD/por

cada cuatro personas. Entre sus desventajas se halla su bajo tiempo de vida útil, lo que hace

necesario montar una nueva instalación cada tres años. También es muy vulnerable a sufrir

roturas por condiciones climáticas adversas, por las acciones del hombre y los animales.

Otro tipo de planta de producción de biogás que ha logrado disminuir los costos hasta 30%

con respecto a los prototipos tradicionales es la que se caracteriza por tener una estructura

semiesférica de polietileno de película delgada en sustitución de la campana móvil y la

cúpula fija, y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los empleados en los

prototipos tradicionales, la cual se ilustra en la Figura 3.

Figura 3. Ejemplo de digestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de

polietileno.

Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas

tradicionales; por ejemplo, una instalación de 4m3 puede costar aproximadamente 550 USD y

la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida útil. Las

instalaciones industriales de producción de biogás emplean tanques de metal que sirven

para almacenar la materia orgánica y el biogás por separado, estas son mucho más costosas

y de difícil acceso a los pobladores de los países subdesarrollados.

II.6. Digestión anaerobia La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar

al biogás y a una suspensión acuosa o lodo que contiene los componentes difíciles de

degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa.

El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor el cual

puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico. El

biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un conducto de entrada a través del cual se

suministra la materia orgánica en forma conjunta con agua, y un conducto de salida en el

cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales

que ingresan, y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente.

El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química

contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás.

La materia prima preferentemente utilizada para someterla a este tratamiento es la biomasa

residual con alto contenido en humedad, especialmente los residuos ganaderos y los lodos

de depuradora de aguas residuales urbanas.

Aunque la digestión anaerobia es un proceso ampliamente conocido en la práctica, se posee

en la actualidad una información muy limitada sobre su química y su microbiología. Sin

embargo, se puede afirmar en líneas generales que la digestión anaerobia se desarrolla en

tres etapas durante las cuáles la biomasa se descompone en moléculas más pequeñas para

dar biogás como producto final, por la acción de diferentes tipos de bacterias.

Las variables que influyen en el proceso son las siguientes:

Temperatura: se encuentra un óptimo de funcionamiento alrededor de los 35°C.

Acidez: determina la cantidad y el porcentaje de metano en el biogás, habiéndose

encontrado que el valor óptimo de pH oscila entre 6,6 y 7,6.

Contenido en sólidos: se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10% en

sólidos, lo que explica que la biomasa más adecuada sea la de alto contenido en

humedad.

Nutrientes: para el crecimiento y la actividad de las bacterias, éstas tienen que disponer

de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y algunas sales minerales.

Tóxicos: aparte del oxígeno, inhiben la digestión concentraciones elevadas de amoníaco,

sales minerales y algunas sustancias orgánicas como detergentes y pesticidas

El producto principal de la digestión anaerobia es el biogás (mezcla gaseosa de metano y

dióxido de carbono, con pequeñas proporciones de otros componentes: nitrógeno, oxígeno,

hidrógeno y sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima

como del proceso en sí. La cantidad de gas producido es muy variable, aunque

generalmente oscila alrededor de los 350 l/kg de sólidos degradables. Aunque su poder

calórico no es muy grande, puede sustituir al gas doméstico con ventaja, utilizándose en las

siguientes aplicaciones:

Fuente de calor (cocina, alumbrado).

Combustión en calderas de vapor para calefacción.

Combustible de motores acoplados a generadores eléctricos.

Por su parte, el efluente de la digestión está compuesto por diversos productos orgánicos e

inorgánicos y se puede utilizar tanto en la fertilización de suelos, con excelentes resultados,

como en alimentación animal, aspecto aún en vías de investigación.

II.7. El cieno de fermentación Cada material de fermentación o material de carga se compone de:

sustancias sólidas orgánicas,

sustancias sólidas inorgánicas, y

agua.

Con el agua aumenta la fluidez del material de fermentación, lo cual es importante para el

funcionamiento de una planta de biogás. En un cieno de fermentación liquido, las bacterias

de metano llegan con más facilidad al material de fermentación fresco. De ese modo se

acelera el proceso de fermentación; por eso, con una agitación periódica aumenta la

producción de gas. Un cieno con 5 a 10 % de sólidos es apropiado, sobre todo, para el

funcionamiento de plantas continuas. Véase Tabla 1.

Ejemplo: el estiércol fresco de ganado vacuno contiene 16% de material sólido y 84% de

agua. El estiércol de vacuno es mezclado con agua en una proporción de 1:1. El cieno de

fermentación listo tiene entonces 8% de material sólido y 92% de agua. El estiércol de gallina

(alto N) mezclado con paja de arroz, da una elevada producción de gas.

Todos los materiales de fermentación están compuestos en su mayor parte por carbono (C) y

contienen nitrógeno (N).La relación C/N influye sobre la producción de gas ; esta será óptima

cuando C/N oscile entre 20:1 y 30:1.

Tabla 1. Características de la materia prima a fermentar.

Si se sospecha que la digestión esta siendo perturbada por sustancias tóxicas, se debe

agregar agua o material de fermentación, para así disminuir la concentración.

II.7.1. El efluente como fertilizante En la digestión anaerobia (DA) el nitrógeno (N) gaseoso se trasforma en amoníaco (NH3), y

diluido en agua esta a disposición de las plantas como nutriente. Un efluente líquido es más

rico en nitrógeno y potasio, mientras que otro más espeso, como el obtenido de paja y pasto

fermentado es relativamente mas rico en fósforo. Balanceando estas características se

puede obtener un buen fertilizante.

La relación de nutrientes sería: N : P2O5 : K2O = 1:0,5:1. Un barro de baja relación C/N tiene

mejores propiedades fertilizantes.

El análisis de los resultados de la aplicación del efluente como fertilizante no es extrapolable,

siendo conveniente basarse en ensayos propios. De todas maneras, datos fiables se pueden

obtener después de 3 a 5 años. Con varios años de abono se puede notar un mejoramiento

en la estructura del suelo, aumenta la proporción de materia orgánica y le permite almacenar

más agua. De ser necesario almacenar el abono habrá que cubrirlo para que el N no se

volatilice.

II.8. Características del biogás El biogás es un poco más liviano que el aire y posee una temperatura de inflamación de

alrededor de los 700ºC (Diesel 350ºC, gasolina y propano cerca de los 500ºC). La

temperatura de la llama alcanza 870ºC. Mientras más largo es el tiempo de retención dentro

del biodigestor, más alto es el contenido de metano, y con esto el poder calorífico. Con

tiempos de retención cortos el contenido de metano puede disminuir hasta en un 50%.Con

un contenido de metano mucho menor del 50%, el biogás deja de ser inflamable. El primer

gas de una planta recién cargada contiene muy poco metano, por esa razón el gas producido

en los primeros 3 a 5 días se debe dejar escapar sin utilizarlo. El contenido de metano

depende de la temperatura de fermentación. Con bajas temperaturas de fermentación se

obtiene un alto porcentaje de gas metano, pero las cantidades de gas son menores.

El porcentaje de metano depende del material de fermentación, alcanzando los siguientes

valores aproximadamente:

Estiércol de gallina: 60%

Estiércol de cerdo: 67%

Estiércol de establo: 55%

Pasto: 70%

Desperdicios de cocina: 50%

II.9. Diferentes tipos de plantas para obtener biogás Las plantas para la producción de biogás se pueden clasificar en:

• Discontinuas o a Batch: estas se cargan una vez y se vacían por completo después de un

determinado tiempo de retención; el abastecimiento continuo de gas con estas plantas se

logra con depósitos de gas o con varios digestores funcionando a la vez.

• Continuas: estas se cargan y descargan en forma periódica, por lo general diariamente, el

material de fermentación debe ser fluido y uniforme.

Las plantas continuas son apropiadas para viviendas rurales donde el mantenimiento

necesario se integra a la faena diaria y la producción de gas es mayor y uniforme. Estas

últimas también tienen la ventaja de adaptarse al uso industrial, por ejemplo en criaderos

donde se deben tratar grandes cantidades de estiércol y en donde no importa tanto la

producción de gas como el tratamiento de la patogenicidad de estos desechos. También son

propicias, en este caso, para la automatización.

Entre las instalaciones más sencillas podemos encontrar las de cúpulas fijas (Figura 4) y las

de campana flotante (Figura 5) y las combinadas (Figura 6). Estas últimas tienen la ventaja

de soportar fluctuaciones en el consumo de gas manteniendo la presión constante.

Figura 4. Planta de biogás de campana flotante.

Figura 5. Planta de biogás de cúpula fija

Figura 6. Planta de biogás combinada: cúpula fija y campana flotante

En las Figuras 4 y 6 se ilustran las plantas de biogás de campana flotante, las que tiene la

ventaja de mantener una presión constante de gas.

El diseño y la construcción de la planta, así como los materiales a utilizar, deberán elegirse

cuidadosamente en función de la producción deseada, las características del suelo, el tipo de

carga y la inversión que se desea hacer. Se debe tener en cuenta también las características

climáticas del lugar, pues como se indicó previamente, la digestión anaerobia es muy

sensible a los cambios de temperatura y necesita de por lo menos 30ºC para tener una

producción aceptable.

En la Figura 7 se observa la variación de la producción de gas con estiércol fresco de

ganado vacuno en función del tiempo de retención y de la temperatura del digestor.

Figura 7. Rendimiento de la producción de biogás en función de la temperatura del

biodigestor.

Con respecto a este tema, en zonas frías de Europa, la producción de biogás disminuye

hasta un 50% en el invierno, por lo que se ha optado por la calefacción de las plantas,

requiriendo esta, más o menos un 30% de la producción de biogás. Hasta ahora no se ha

desarrollado un método totalmente eficiente de calefacción en lo que se refiere a

instalaciones sencillas. El proceso de digestión en sí, no es exotérmico, por lo que se debe

aportarle calor para mantener su temperatura. La temperatura a que se lleva a cabo la

digestión hace variar los tiempos de retención del cieno.

II.10. Dimensionamiento de las plantas de biogás Para poder calcular el tamaño de una planta de biogás, se utilizan determinados valores

característicos. Para una planta de biogás sencilla son los siguientes:

La cantidad diaria de cieno de fermentación (Cf).

El tiempo de retención (fermentación) técnico (TR).

La producción específica de gas al día (Gd) en dependencia del tiempo de retención y del

material de fermentación.

La masa seca (MS, SS, DM). El porcentaje de agua varía en cada material de

fermentación natural. Por esta razón, en trabajos de investigación más exactos se opera

con la parte sólida o materia seca del material de fermentación.

La masa orgánica seca (MOS, SOS, ODM). Para el proceso de fermentación son

importantes solo componentes orgánicos o volátiles del material de fermentación. Por

eso, se trabaja solamente con la parte orgánica de la masa seca.

La carga del digestor (R, o L). La carga del digestor indica con cuanto material orgánico

es alimentado diariamente o cuanto material debe ser fragmentado al día.

La carga del digestor se calcula en kg de masa orgánica por metro cúbico del digestor por

día (kg MOS/ m3/d ). Largos tiempos de retención producen una menor carga del digestor.

Para las plantas de biogás sencillas, cargas de 1,5 kg/m3/d ya son bastante altas. Plantas

grandes de control de temperatura y agitación mecánica se pueden cargar con unos 5

kg/m3/d. Si la carga del digestor es demasiado alta, baja el valor de pH. La planta se queda

atorada en la fase ácida, porque hay más material de fermentación que bacterias capaces de

producir metano.

El tiempo técnico de retención o fermentación (TR o t) es el lapso durante el cual el material

de fermentación permanece en el digestor. Este es determinado según criterios económicos.

El tiempo técnico de retención es mucho más corto que el tiempo total necesario para la

completa fermentación del material.

El grado de fermentación se mide en %. Este indica cuanto gas se obtiene en comparación

con la producción total específica de gas. La diferencia con 100% indica que cantidad de

material de fermentación todavía no ha sido fermentada. En plantas de biogás sencillas el

grado de fermentación alcanza alrededor del 50%, esto significa que la mitad del material

queda sin aprovechar.

II.10.1 Dimensionamiento del digestor El tamaño del digestor (en volumen Vd) está determinado por el tiempo de retención (TR) y

por la cantidad diaria de cieno de fermentación (Cf). La cantidad de cieno de fermentación se

compone del material de fermentación y del agua de mezcla.

El volumen del digestor se obtiene mediante la expresión (1):

Vd [L]= Cf [L/día]* TR [días]

(1)

Si se conoce el volumen del digestor y la cantidad de cieno de fermentación se puede

calcular el tiempo de retención efectivo según la expresión (2):

TR [días] = Vd [L] /Cf [L/día]

(2)

Si se conoce el volumen del digestor y se desea un determinado tiempo de retención, se

puede calcular la cantidad diaria de relleno con la siguiente expresión (3):

Cf [L/día] = Vd [L] / TR [días]

(3)

II.10.2. Dimensionamiento del depósito de gas El tamaño del depósito de gas (en volumen Vg) depende de la producción de gas y de la

cantidad de gas que se utilice. La producción de gas depende de la cantidad y de

propiedades del cieno de fermentación, de la temperatura del digestor y del tiempo de

retención. La relación entre el volumen del depósito de gas (Vg) y la producción diaria de gas

(G) se llama de capacidad de almacenamiento gas (C) y está dada por la expresión (4).

(Vg/G) * 100 = C

(4)

La capacidad de almacenamiento de gas requerida y con esto, el tamaño que debe tener el

depósito de gas, son factores muy importantes en la planificación. Si la capacidad de

almacenamiento no es suficiente, se pierde parte del gas producido. El gas sobrante que

queda almacenado en el depósito no es suficiente. Si se escoge un depósito de gas

demasiado grande, surgen gastos de construcción innecesarios. Debe tenerse en cuenta que

la producción de gas puede fluctuar desde el 75% hasta el 125% de la producción calculada.

Para el cálculo solo es importante la diferencia entre producción y consumo. Para viviendas

rurales en países del Tercer Mundo, capacidades de almacenamiento del 50% al 60% son en

general correctas.

II.11. La utilización del biogás

El biogás puede utilizarse como cualquier otro gas combustible. Mezclas de biogás con aire

en una relación 1:20 forman un gas detonante altamente explosivo. Se debe tener cuidado

con tuberías de gas que tengan fugas, en recintos cerrados. Es una noticia gratificante que

hasta ahora no se conoce sobre explosiones causadas por el biogás.

El poder calorífico del biogás es de 6 kW-h/m3, lo cual equivale más o menos a ½ litro de

diesel. El poder calorífico aprovechable depende del rendimiento de los quemadores o de los

aparatos. El suministro de aire influye considerablemente sobre el rendimiento. Una presión

de gas de 5 a 20 cm de columna de agua es la más apropiada para cocinar. Las lámparas

necesitan unos 10 cm de C.A. de presión. El ácido sulfhídrico del biogás con el agua

condensada forma ácidos corrosivos, sobre todo, refrigeradores y aparatos de agua caliente

son sensibles a estos ácidos. La cámara de combustión y los quemadores deben estar

hechos de acero colado, de acero especial o de esmalte.

Con la ayuda de un filtro a partir de óxido de hierro se puede purificar el biogás. Para la

utilización del gas en motores no es necesario filtrar el biogás, la presión del gas puede ser

baja pues los motores lo succionan. Tampoco es rentable licuar el biogás. Las tuberías de

gas pueden estar hechas de acero, cobre, caucho o plástico. Se debe tener en cuenta que

las mangueras de caucho se vuelven rápidamente porosas y permeables con los rayos

solares.

Las grandes longitudes de cañería y cambios de dirección repercuten en la caída de la

presión. Estas deben tener determinada pendiente, y en su parte más baja un depósito para

el agua condensada, para evitar que se produzcan cavitaciones. Este depósito debe vaciarse

periódicamente.

Utilizar la energía producida para ahorrar dinero en la explotación no es cosa fácil. Existen

dos posibilidades:

a) Quemar el gas en un calentador para producir agua caliente: El biogás puede quemarse

directamente en un calentador de agua. El quemador ha de ser del mismo tipo que para

gas de ciudad, o sea, con una presión de trabajo de 100 a 150mm C.A. y de boca ancha.

En verano, que es cuando se produce la mayor cantidad de gas, las necesidades de

calefacción son mínimas, por lo que una buena parte del combustible no puede ser

utilizada.

b) Utilizar el biogás para alimentar un motor de combustión interna conectado a un

generador de corriente eléctrica: El gas puede alimentar un motor que accione un

generador, la energía eléctrica es más fácil de transportar. Los motores fijos modificados

para funcionar con metano se encuentran normalmente en el mercado, y se recupera el

calor residual del agua de refrigeración y de los gases de escape, que puede ser más que

suficiente para mantener la temperatura del digestor.

En la Figura 8 pueden apreciarse las modificaciones que requiere un motor diesel para su

funcionamiento con biogás.

Figura 8. Motor diesel funcionando con biogás.

El gas es succionado junto con el aire de combustión hacia el cilindro. La conexión del

biogás con el conducto de aire puede hacerse de diferentes maneras. Debido a la alta

temperatura de ignición del biogás, un motor diesel debe funcionar con una mezcla de biogás

y gasoil. En un motor de ciclo Otto puede funcionar con el 100% de biogás, pero su potencia

disminuye alrededor de un 30%. En la Tabla 2 se ofrecen algunas variantes.

Tabla 2. Flujos de combustible recomendables para el funcionamiento de motores diesel con

mezclas de biogás con gasoil.

II.11.1. Diferentes usos del biogás El biogás puede ser:

�Quemado para calefaccionar el aire, secar, cocinar o calentar agua.

�Usado para hacer marchar un motor generador y producir calor y electricidad.

El balance económico, deducido a partir de la información de la Tabla 3, indicará si conviene

quemarlo, hacer marchar un motor o no generarlo.

Tabla 3. Consumo de biogás de diferentes equipos domésticos.

II.12. Procesos de co-digestión La co-digestión es la digestión simultánea de una mezcla homogénea de dos o más

sustratos. Estos procesos brindan entre otras las siguientes ventajas:

Mejoran el balance de nutrientes del sustrato (C:N:P = 300:5:1)

Permiten optimizar las propiedades reológicas de la mezcla a digerir.

Disminuyen los contenidos de residuos estacionales.

Brindan una mayor producción de biogás.

Son una vía eficaz de conseguir primas o ingresos por concepto de gestión de residuos.

Las limitaciones de la co-digestión pueden resumirse en :

Necesidad de:

• Pre-tratamiento;

• Higienización;

• Mezcla.

Limitaciones al uso final del digestado.

Hay que pre-determinar adecuadamente las mezclas y las proporciones.

II.13. Experimento para la didáctica y estudio del biogás Partiendo de elementos muy sencillos y económicos se puede elaborar una instalación de

biogás de carga discontinua. La misma se puede realizar con tres o más tanques de 200

lts.(generalmente envases de lubricantes desechados). Con uno se haría el digestor,

mientras que con otros dos, uno embutido en el otro, se fabricará el depósito de campana

flotante con sello de agua. Esta sencilla instalación sirve para estudiar el comportamiento de

la digestión anaeróbica con la variación de los parámetros ambientales, así como también la

fluctuación del volumen de biogás producido.

Para mejor comprensión del experimento planteado debe observarse la Figura 9. A la misma

instalación se le pueden agregar más digestores a una misma campana, con el fin de no

interrumpir la generación de biogás cuando se recarga alguno de los tambores.

Figura 9. Ejemplo de una sencilla instalación para obtener biogás.

Una nota importante: Para producir suficiente gas para abastecer las necesidades de una

familia de cuatro personas se necesita continuamente el estiércol de dos caballos o de dos

vacas o de unos 100 pollos o de varios cerdos. Por esta razón un chacra o finca es la mejor

ubicación de un biodigestor. Se pueden sumar también los excrementos humanos, los de

cuyes y desechos orgánicos de la casa. Debe tenerse muy en cuenta que la mezcla de gas

metano con aire es explosiva. Por esta razón el depósito de biogás debe estar libre de aire y

ubicado a distancia prudencial de la casa para evitar accidentes. Igualmente debe estar en

un lugar seguro del fuego y no hacer fuego en las cercanías.

III. Conclusiones La obtención de biogás a través de procesos de digestión anaeróbica pueden proveer

beneficios a sus usuarios, a la sociedad y al medio ambiente de los países subdesarrollados,

siendo ventajoso debido a que: El biogás sirve como fuente energética (calor, luz, electricidad).

Se Reduce considerablemente la cantidad de trabajo relacionado con la recolección de

leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres).

El residuo digerido es casi inodoro y estabilizado.

Se conservan los nutrientes del suelo mediante al adición del residuo digerido seco

conocido como bio-abono.

Se produce un mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la reducción de

patógenos, huevos de gusanos y moscas, los cuales no son atraídos por el residuo.

Su uso trae consigo ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua,

del aire y la vegetación leñosa por reducción de la deforestación. Se logran beneficios micro económicos a través de la sustitución de energía y

fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la producción agrícola

ganadera.

Por lo tanto, la tecnología del biogás puede contribuir sustancialmente a la conservación y el

desarrollo. Sin embargo, el monto de dinero requerido para la instalación de las plantas

puede ser en muchos casos prohibitivo para la población rural. Por ello, se deben concentran

los esfuerzos en desarrollar sistemas más baratos y en proveer a los interesados de créditos u otras formas de financiación. El financiamiento gubernamental podría verse como una

inversión para reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del

petróleo y fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio ambiente, la salud y la

higiene.

No obstante las ventajas previamente detalladas, estos sistemas poseen un grupo de

desventajas que se detallan seguidamente:

Equipamiento grande, algo caro y experimental en ciertos diseños.

Se requieren ciertas precauciones de manejo.

El proceso es sensible a la temperatura, pH, velocidad de carga y cambio del tipo de

carga.

El proceso de digestión anaeróbico no genera calor.

La evaluación económica en países en vías de desarrollo se dificulta, en cuanto al retorno de

la inversión, al no utilizarse bases de cálculos similares y carecer de ciertos datos. De no

existir incentivo crediticio el sistema sería económicamente viable para establecimientos

extensivos con más de 100 vacas, excepto que problemas ecológicos indiquen que esta

solución es la óptima.

IV. REFERENCIAS 1. Biomass Energy Profiles. Food and Agricultural Organization of United Nations. Rome.

1993.

2. Conservación de Energía en la Industria. Manual de recomendaciones. Sao Pablo.

Instituto de Pesquisas Tecnológicas. 1990.

3. German Appropriate Technology Exchange. Valencia, España. Disponible en:

http://afexparachicos.tripod.com/biogas.htm, No. 112, octubre de 1999.

4. House, D. Biogas handbook, Edited by Peace Press, Culver City, USA. ISBN: 0-915288-

47-0, 1981.

5. Kenney, W.F. Energy Conservation in the Process Industries. W. F. Kenney. Academy

Press, p. 329, 1969.

6. Ramakumar, R. Renewable Energy Sources and Rural Development in Developing

Countries. IEEE Transactions on Education, USA E-24, 3, pp. 242-251, Agosto de 1981.

7. Rodrigo Señer, A. Obtención de biogás mediante la fermentación anaerobia de residuos

alimenticios. Departamento de Calidad y Medio Ambiente, AINIA, Madrid, España, 9 de

marzo de 2005.

8. Zamora González, L.; Cisneros Reina, L.; Macías Socarrás, I.; López Varela, A.

Consideraciones sobre la utilización del biogás - Monografias_com.htm, 2006.