Biogás

Introducción La necesidad de generar energía de forma limpia de manera que sea compatible con el clima y el medio ambiente, además de la creciente demanda de energía producida por el rápido crecimiento demográfico nos obliga a investigar métodos alternativos para la generación de energía como el del uso de residuos orgánicos. Además estos se pueden utilizarse como materia prima en sustitución de otras fuentes de energía con un mayor impacto sobre el medio ambiente y la salud, como es el caso de los combustibles fósiles. La aplicación de este método para generar energía sería una gran ayuda para el medio ambiente, ya que al utilizar los gases liberados por los residuos orgánicos en descomposición para generar energía eléctrica se dejarían de liberar millones de toneladas de estos gases (que son de efecto invernadero como el metano) en la atmósfera, y al mismo tiempo se produciría energía eléctrica económica para abastecer a las ciudades.

El biogás constituye una mezcla de gases cuyos componentes principales son el metano y el dióxido de carbono, producido de la putrefacción de la materia orgánica en ausencia del aire por acción de microorganismos. La naturaleza provee una gran variedad de residuos orgánicos que sirven para la obtención del biogás, entre ellos se encuentran: desechos provenientes de animales domésticos (aves, vacas, cerdos, etc.) y residuos de origen vegetal (pastos, hojas secas, pajas, basura doméstica).El biogás prácticamente no tiene olor ni color, es un gas energético y explosivo parecido al gas natural. Con este informe pretendemos que todo tipo de lector, quede informado a fondo sobre ´que es el biogás y cuáles son sus usos y su potencial.

Composición del Biogás El biogás se forma de la descomposición de materia orgánica en la que intervienen bacterias que realizan el proceso en condiciones anaerobias. (Sin oxígeno)La composición de biogás depende del desecho usado y de las condiciones de su procesamiento.

Componentes: Sus principales componentes son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2).Aunque la composición del biogás puede variar según la biomasa empleada, su composición aproximada es: Metano, 70% volumen Dióxido de carbono, 45%Hidrógeno, 10%Nitrógeno, 3%Ácido Sulfhídrico, 0.1%El metano es el gas que le otorga las características de combustible. El valor energético del biogás por lo tanto queda determinado por la concentración de metano. Su producción varía según las condiciones climáticas: humedad, temperatura, la presión atmosférica; según su modo de captación, su proporción en metano.

Producción del biogás El biogás se produce en un recipiente cerrado llamado biodigestor que puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal y plástico. El biodigestor es de forma cilíndrica o esférica, posee un conducto de entrada por donde se le suministra la materia orgánica (estiércol de animal o humano, aguas sucias de las ciudades, residuos de mataderos, etc.) en conjunto con agua y un conducto de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el digestor. 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.

El biogás en el vacuno Los procesos digestivos anaeróbicos (ausencia de oxígeno) que se desarrollan en el ganado vacuno producen biogás. El metano eructado por una vaca es de 200 a 400 litros/día. Y esto conlleva entre el 2 y el 12 % de la energía del alimento. Si vemos el sistema digestivo de una vaca como un metalizado natural, entenderemos el funcionamiento de un biodigestor. En el rumen de un animal existen:- Alimento, (materia orgánica) y agua - Temperatura constante - Movimientos y agitación y zonas de parada - Bacterias en ausencia de O2Enzimas, sales, lignina, celulosa, etc. En una instalación de producción de biogás dentro del biodigestor, con deyección de vacuno, tenemos que conseguir por medio de la biología y la ingeniería las condiciones más óptimas para hacer el proceso lo más eficaz y eficiente posible.

Biodigestores Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en ausencia de oxígeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para transformar éste en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas e iluminación, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un generador que produzca electricidad. El fertilizante, llamado biol,

inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogás, ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora mucho el rendimiento de las cosechas. Los biodigestores familiares de bajo costo han sido desarrollados y están ampliamente implantados en países del sureste asiático, pero en Sudamérica, solo países como Argentina, Cuba, Colombia y Brasil tienen desarrollada esta tecnología. Estos modelos de biodigestores familiares, construidos a partir de mangas de polietileno tubular, se caracterizan por su bajo costo, fácil instalación y mantenimiento, así como por requerir sólo de materiales locales para su construcción. Por ello se consideran una „tecnología apropiada‟. La falta de leña para cocinar en diferentes regiones de Bolivia hace a estos sistemas interesantes para su difusión, divulgación y diseminación a gran escala. Las familias dedicadas a la agricultura suelen ser propietarias de pequeñas cantidades de ganado (dos o tres vacas, por ejemplo) y pueden, por tanto, aprovechar el estiércol para producir su propio combustible y un fertilizante natural mejorado. Se debe considerar que el estiércol acumulado cerca de las viviendas supone un foco de infección, olores y moscas que desaparecerán al ser introducido el estiércol diariamente en el biodigestor familiar. También es importante recordar la cantidad de enfermedades respiratorias que sufren, principalmente las mujeres, por la inhalación de humo al cocinar en espacios cerrados con leña o bosta seca. La combustión del biogás no produce humos visibles y su carga en ceniza es infinitamente menor que el humo proveniente de la quema de madera.

Los biodigestores familiares de bajo costo Este modelo de biodigestor consiste en aprovechar el polietileno tubular (de color negro en este caso) empleado en su color natural transparente en capas solares, para disponer de una cámara de varios metros cúbicos cerrada herméticamente. Este hermetismo es esencial para que se produzcan las reacciones biológicas anaerobias. El film de polietileno tubular se amarra por sus extremos a tuberías de conducción, de unas seis pulgadas de diámetro, con tiras de liga recicladas de las cámaras de las ruedas de los autos. Con este sistema, calculando convenientemente la inclinación de dichas tuberías, se obtiene un tanque hermético. Al ser flexible el polietileno tubular, es necesario construir una „cuna‟ que lo albergue, ya sea cavando una zanja o levantando dos paredes paralelas. Una de las tuberías servirá como entrada de materia prima (mezcla de estiércol con agua de 1:4). En el biodigestor se alcanza finalmente un equilibrio de nivel hidráulico, por el cual, según la cantidad de estiércol mezclado con agua que se introduzca, saldrá una determinada cantidad de fertilizante por la tubería del otro extremo. Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo. Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente una acetogénesis y finalmente la metalogénesis por la cual se produce metano. El producto gaseoso llamado biogás realmente tiene otros gases en su composición, como son dióxido de carbono (20-40%), nitrógeno molecular (2-3%) y sulfhídrico (0,52%), siendo el metano el más abundante con un 60-80%.

La conducción de biogás hasta la cocina se hace directa, manteniendo todo el sistema a la misma presión: entre 8 y 13 cm de columna de agua dependiendo de la altura y el tipo de fogón. Esta presión se alcanza incorporando en la conducción una válvula de seguridad construida a partir de una botella de refresco. Se incluye un „tee‟ en la conducción, y mientras sigue la línea de gas, el tercer extremo de la tubería se introduce en el agua contenida en la botella de 8 a 13 cm. También se añade un reservorio, o almacén de biogás, en la conducción, permitiendo almacenar unos 2 o 3 metros cúbicos de biogás. Estos sistemas adaptados para altiplano han de ser ubicados en „cunas‟ enterradas para aprovechar la inercia térmica del suelo, o bien dos paredes gruesas de adobe en caso de que no se pueda cavar. Además se encierran los biodigestores en un invernadero de una sola agua, apoyado sobre las paredes laterales de adobe. En el caso de biodigestores de trópico o valle, el invernadero es innecesario pero se ha de proteger el plástico con una semisombra. Los costos en materiales de un biodigestor pueden variar de 110 dólares para trópico a 170 dólares para altiplano, ya que en la altura tienen mayores dimensiones y requieren de carpa solar.

Adaptación de los biodigestores Los biodigestores deben ser diseñados de acuerdo con su finalidad, la disposición de ganado y tipo, y la temperatura a la que van a trabajar. Un biodigestor puede ser diseñado para eliminar todo el estiércol producido en una granja de cerdos, o bien como herramienta de saneamiento básico en un colegio. Otro objetivo sería el de proveer de cinco horas de combustión en una cocina a una familia, para lo que ya sabemos que se requieren 20 kilos de estiércol fresco diariamente. Como se comentó anteriormente, el fertilizante líquido obtenido es muy preciado, y un biodigestor diseñado para tal fin ha permitir que la materia prima esté más tiempo en el interior de la cámara hermética, así como reducir la mezcla con agua a 1:3. La temperatura ambiente en que va a trabajar el biodigestor indica el tiempo de retención necesario para que las bacterias puedan digerir la materia. En ambientes de 30 °C se requieren unos 10 días, a 20 °C unos 25 y en altiplano, con invernadero, la temperatura de trabajo es de unos 10 °C de media, y se requieren 55 días de tiempo de retención. Es por esto que para una misma cantidad de materia prima entrante se requiere un volumen cinco veces mayor para la cámara hermética en el altiplano que en el trópico.

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 para el funcionamiento de plantas continuas. 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.

La digestión anaeróbica

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.

Etapas de la digestión anaeróbica En el proceso de digestión anaeróbica podemos distinguir tres etapas: Hidrólisis, Fase Ácida y Fase Hidrogenada. A su fin se obtiene un GAS y un LÍQUIDO.  El GAS que contiene un 55-70% de Metano, 30-40% de Dióxido de Carbono y Hidrogeno 1-3% 2-5% de otros Gases.  El LÍQUIDO conocido como Bio-Fertilizante (inodoro) contiene 20% de Proteínas, 4% de NPK solubles, un 14% más de Nitrógeno y 20% más de Potasio que igual mezcla de residuos procesados anaeróbicamente, y con PH de 7,5.

Variables de influencia Las variables que influyen en el proceso de digestión anaeróbica 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

Ventajas y desventajas de la digestión anaeróbica Ventajas: El biogás sirve como combustible. El residuo digerido es casi inodoro y estabilizado. Se conservan los nutrientes del bioabono. Las moscas y roedores no son atraídos por el residuo. El residuo digerido seco puede utilizarse como bioabono. Desventajas: 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 cambios de tipo de carga. El proceso de digestión anaeróbica no genera calor.

Instalaciones para la producción de biogás Existen dos clasificaciones generales para las plantas de producción de biogás en cuanto a su capacidad: las instalaciones industriales y las de pequeña capacidad o mini digestores. Se pondrá

énfasis en las instalaciones de baja capacidad, ya que ayudan a solucionar el problema de la cocción de alimentos en los núcleos pequeños sin afectar el medio ambiente. Los mini digestores pueden operar de diferentes maneras: por lote, semicontinuo y continuo. Para realizar el análisis de las distintas instalaciones se tomarán ejemplos de digestores de pequeña capacidad, que operan de manera continua y semicontinuo, por ser una de las formas más eficientes de producir biogás.

Tipos de biodigestores Actualmente se conocen dos diseños tradicionales de biodigestores de pequeña capacidad (hasta 50 m3) de producción de biogás, en dependencia de su origen: «hindú» y «chino».

El biodigestor hindú (Fig. 1) se distingue por el uso de una campana móvil, que asciende al aumentar la presión del gas dentro de ella; esta puede ser de metal, hormigón o plástico. Además, el digestor está compuesto por un tanque de almacenamiento en forma cilíndrica, que puede ser construido de piedra, ladrillo y hormigón. Para permitir la entrada de la materia orgánica y la salida del biofertilizante se emplean dos tubos (de plástico, fibrocemento, cerámica u otros) que conectan el tanque de almacenamiento con el de carga y descarga; también cuenta con tuberías, válvulas de corte y seguridad que garantizan el buen funcionamiento del biodigestor. El diseño del tipo chino (Fig. 2) utiliza para el almacenamiento del biogás una cúpula fija unida al tanque de almacenamiento, que puede ser de ladrillo o de elementos prefabricados de hormigón. 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.

Fig. 2. Esquema del digestor chino: 1. tubería de salida del gas; 2. Sello removible; 3. Tapa móvil; 4. Entrada; 5. Tanque de desplazamiento; 6. Tubería de salida; 7. Almacenamiento de gas; 8. Materia orgánica. 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 (Fig. 3). 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.

Fig. 3. Esquema del digestor de polietileno tipo saco y ejemplo del digestor de polietileno tipo gusano.1. Válvula de salida; 2.Almacenamiento de biogás; 3. Nivel del agua con materia orgánica. 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 (Fig. 4), 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. Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas tradicionales; por ejemplo, una instalación de 4 m3 puede costar,

aproximadamente, $550 USD, y la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida útil.

Biodigestor casero de bidón ¿Has considerado aprovechar los residuos de alimentos y de la cocina para producir biogás casero? Si es así, puedes construir un biodigestor anaeróbico casero a partir de un bidón o tanque de polietileno con capacidad entre 120 y 220 litros. No se necesitan grandes conocimientos técnicos ni materiales difíciles de conseguir para su construcción; solo observe la imagen, lea los materiales y lo comprenderá. El diseño propuesto es bastante común, y al ser semicontinuo permite adicionar residuos orgánicos diariamente.

Inicialmente, dependiendo del tanque disponible así será la cantidad de biogás producido por el digestor. Los usos para este biogás podrían ser cocinar algunos alimentos, calefaccionar una estancia, iluminar o simplemente para proyectos o experimentos caseros. Para esto último sería muy útil un mechero Bunsen ya que permite regular el flujo de gas y la mezcla de aire-biogás de forma sencilla. El biodigestor debería construirse de acuerdo a la disponibilidad de recursos y no tratar de hacerlo exactamente con los materiales que mencionaré a continuación. Acuérdese de “las tres R”; reducir, reusar y reciclar.

Los Materiales y su descripción: El reactor y la entrada de materiales  Un tanque o bidón de entre 120 y 220 litros de capacidad. Generalmente son azules con tapa de cierre hermético.  Tapón de limpieza sanitario (4”): Es una especie de adaptador con tapón enroscable  Segmento corto de tubo (4”): Pasa a través de la abertura y conecta el “adaptadotapón” en el exterior con la Reducción en la parte interna del tanque. Debe ser suficientemente corto para permitir que tanto la Reducción como el adaptador-tapón aprisionen la pared de la tapa del tanque y así permitir una mejor sujeción y sellamiento. También se pueden usar bridas sanitarias pegadas con silicona al tanque.  Reducción PVC de 4” a 3”  Tubo PVC sanitario (3”): Desde la reducción hasta 5cm antes del fondo del tanque.

Parte superior e inferior Para la salida del efluente:     

Adaptador de tanque (2”) Tubo PVC (2”) para la tubería de salida del efluente 3 Codos PVC (2”) Adaptador de tanque (1”) para conectar la válvula Válvula de esfera PVC (1”) Para la salida inferior del efluente más pesado.

Para la salida del biogás (en orden):    

Conector de tanque (1/2”) Válvula de esfera con roscas (1/2”) Adaptador para manquera Manguera

Para unir las partes y sellar:  

Soldadura (pegamento) para PVC Silicona selladora transparente, ¡resistente a hongos!: Para sellar alrededor de las uniones al tanque e impedir filtración.

( ” ) = pulgadas

Al tanque se le realizan dos agujeros laterales y dos en la tapa. Uno en la parte lateral-inferior para la válvula de 1 pulgada; otro en la parte media para la salida de efluente. En la tapa uno será para la entrada del material y el otro para la salida del biogás, siempre del diámetro de la pieza que lo atraviesa.

Para almacenar el biogás se utiliza un depósito de campana flotante, muy fácil de construir con dos bidones; uno grande donde va el agua y otro ligeramente más angosto que se sitúa boca abajo dentro del anterior. La manguera que viene del digestor se introduce al tanque mayor y burbujea de tal forma que el gas sube y queda atrapado en el tanque menor el cual tiene una válvula para la salida del gas con una manguera y una trampa de agua.

PRECAUCION: EL BIOGÁS ES UN COMBUSTIBLE. Tome adecuadas medidas de seguridad y consulte a un profesional.