MONOGRAFÍA DEL BIOGAS
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Índice I.V II.V III.V IV.V
|esumen Introducción Objetivo del trabajo Marco Teórico
Capítulo I.- Compuestos orgánicos 1.1 Hidrocarburos 1.2 Metano
Capítulo II.- Biogás 2.1 Breve historia del biogás 2.2 Biomasa 2.3 Concepto de biogás
Capítulo III.- Biodigestor 3.1 Concepto de biodigestor 3.2 Clases de biodigestor 3.2.1 De cúpula fija 3.2.2 De cúpula móvil 3.2.3 De estructura flexible 3.2.4 Biodigestor Plástico de Flujo Continuo Tipo CIPAV 3.3VPrincipios de la fermentación anaeróbica 3.3.1V Fase de hidrólisis 3.3.2V Fase de la acidificación 3.3.3V Fase metanogénica
V.V
Conclusiones
VI.V Bibliografía V V V V V V
V V V VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV VV VVVVVVVVV VV
V V l gas natural fue utilizado por los chinos y los persas para generar calor, tuvo que pasar muchos años para descubrir diferentes formas de obtener metano. La primera planta de digestión se creo en la India. Los biodigestores se extendieron en Inglaterra. Alemania mostro mucho interés en obtener fuentes de energías renovables siendo el científico Imhoff el primero en instalar un biodigestor en este país. Pasada la segunda guerra mundial, se construyeron más de 40 biodigestores, pero su producción se detuvo por la baja del petróleo. n los 70 se retomo la reconstrucción de los biodigestores, pero por problemas técnicos se detuvo en finales de los 80. La nueva legislación eléctrica del año 1991 favoreció a los agricultores, y en lo cual trajo consigo una nueva producción de biodigestores hasta hoy en dia. n la descomposición anaeróbica de obtienen compuestos altamente energéticos que pueden ser usados para la obtensión de energía eléctrica y calorífica, a diferencia de la descomposición aeróbica que, en que el producto final es anhídrido carbónico y agua. Dentro de estos productos se encuentran alcoholes como etanol y metanol como también gas metano. stos compuestos son altamente combustibles por lo cual con un manejo eficiente se puede generar altas temperaturas para diferentes propósitos. La biotecnología a implementado técnicas para el procesamiento de materias primas de origen vegetal que permiten obtener nuevos biocatalizadores como enzimas, levaduras y bacterias, además que amplían la capacidad de producción energética a partir de la biomasa. l proceso de biodigestion anaeróbico destaca por su importancia para la producción de biogás, rico en metano el cual puede utilizarse el cual puede utilizarse directamente en quemadores para hornos, estufas, alimentación de motores de combustión interna o indirectamente para la producción de electricidad. l metano se puede obtener a partir de diferentes compuestos orgánicos, como proteínas, grasas y carbohidratos y se forma con el anhídrido carbónico en una relación de 2 a 1. Los beneficios de biogás son numerosos ya que no daña el medio ambiente, mejora las condiciones higiénicas y es una fuente de energía moderna. La biodigestion, consiste en la fermentación que se efectúa dentro de un biodigestor. n la construcción de biodigestores se han robado muchos tipos de biodigestores, estos son algunos: -V -V -V -V
De cúpula fija De cúpula móvil. De estructura flexible Biodigestor plástico de flujo continuo tipo CIPAV
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VV l biogás es un gas combustible que esta compuesto casi en su integridad por metano y anhídrido carbónico, además posee hidrogeno, nitrógeno y sulfuro de hidrogeno. n la naturaleza es generado por la putrefacción de materia orgánica y es llamado gas natural o gas de los pantanos. l biogás es utilizado a nivel industrial para generar electricidad en las estaciones de depuración de aguas residuales de las ciudades, en los vertederos de residuos sólidos urbanos, como fuente de iluminación y para motores diesel o a gasolina, siendo sumamente eficiente como combustible. También se puede emplear para cocinar calefaccionar y refrigerar, este último, a través de serpentinas colocadas en un freezer por done fluye el biogás sin la necesidad de suministrarle energía eléctrica. Artificialmente es producido por la descomposición de residuos orgánicos, como el estiércol, desechos de huerta, residuos de comida entre otros, mediante un proceso de fermentación anaeróbica, llevado a cabo por las bacterias metanogénicas. ste proceso es llevado acabo en un depósito de sistema hermético llamado biodigestor. Los biodigestores son herramientas que permiten producir el biogás, con el principio común de poner los materiales orgánicos en condiciones anaeróbicas, para iniciar el proceso de digestión que permite la producción del biogás. s un recipiente de forma cilíndrica o esférica, pero sobre todo cerrado, hermético e impermeable, que puede ser construido con diferentes materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico. sta compuesto por tres cámaras -V VV Contiene un conducto de carga por donde se suministra la materia orgánica ayudada por el sistema de bombas utilizando agua extraída del mismo biodigestor. -V VV Aquí se realiza la digestión por partes de las bacterias anaeróbicas las cuales trasforman la biomasa en biogás. Dentro de la misma existe un agitador, lo cual permite mover la masa de digestión, logrando así un mejor contacto entre la biomasa que ingresa y las bacterias, además de ayudar a desprender las burbujas del biogás las cuales se dirigen a la campana de acumulación del gas. sta campana de acumulación o gasómetro es un dispositivo para captar y almacenar biogás, luego el mismo es extraído a través de las válvulas situadas en la parte superior de la misma. stas válvulas están conectadas a un sistema de mangueras que lo soportan hasta el lugar de uso, como por ejemplo una cocina. -V VVVV Se utiliza para extraer el material solido remanente o material estabilizado, depositado en el fondo de la cámara de digestión junto con el agua. l material extraído es un buen abono para la tierra y el agua es utilizada para el riego, en cantidades estrictamente limitadas.
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V l objetivo de este trabajo es que el lector se informe sobre la obtensión del biogás que no es muy conocido por muchas personas en nuestro medio, siendo el biogás una forma muy económica de obtener energía para la aplicación de diversos usos, a la vez incitar al lector a investigar sobre este proceso y así poder aportar a nuevas formas de recursos de energía u optimización de los ya existentes.
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V V V ! V V V " V # # $% V Son compuestos orgánicos de mucha importancia industrial. Se emplean como combustibles, como lubricantes, como materia prima para sintetizar una gama enorme de productos como los son los plásticos, fibras textiles, disolventes, etc. Aproximadamente un 40% de energía que utiliza el hombre se obtiene de la quema de hidrocarburos. Son los compuestos orgánicos más simples ya que su composición presenta solamente átomos de carbono e hidrogeno, por lo que son denominados compuestos binarios. La fuente natural de los hidrocarburos son el petróleo, el gas natural y la hulla como fuente de hidrocarburos aromáticos. n cuanto al estado físico, a condiciones ambientales, los hidrocarburos acíclicos de 1 a 4 carbonos son gases, de 5 a 17 carbonos son líquidos y de 18 a más son sólidos. Los hidrocarburos son apolares, debido a ello son insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos apolares como el tetracloruro de carbono, disulfuro de carbono, ciclohexano, benceno, etc. Son menos densos que el agua, debido a ello los hidrocarburos flotan sobre el agua. Los hidrocarburos líquidos y sólidos tienen mayor viscosidad que el agua. La viscosidad aumenta al aumentar la masa molecular del hidrocarburo. (2)
# & V l primer miembro de la serie de los alcanos es el metano, formado por un átomo de carbono y cuatro de hidrogeno. Los cuatro átomos de hidrogeno están situados en los vértices de un tetraedro regular, con el átomo de carbono en el centro del mismo. Para formar estos enlaces el átomo de carbono emplea orbitales atómicos híbridos sp3 l metano se produce por la descomposición de sustancias vegetales, principalmente de celulosa, por la acción de microorganismos, y se desprende del cieno de los algunos pantanos por el cual toma también el nombre de gas de los pantanos. l metano se desprende también, más o menos puro, de los volcanes de fango y de algunas fuentes no cenagosas. También se produce en las minas de carbón de piedra y de lignito, por descomposición lenta de las materias orgánicas, acumulándose en las cavidades con nitrógeno y anhídrido carbónico. (1)
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! V V " & # V 'V(V)V% V l gas natural que esta compuesto por metano fue utilizado en la antigüedad por los chinos y los persas como generador de calor, exactamente para calentar los baños de agua, pero tuvieron que pasar muchos años para descubrir que el metano no solo se encontraba como gas en los fósiles, sino que este se producía de otras maneras.V La primera planta de digestión fue construida en una colonia de leprosos en Bombay, India en 1859. Los biodigestores anaeróbicos se extendieron en Inglaterra en 1895 cuando el biogás fue recuperado de un proyecto cuidadoso y usado como combustible en lámparas externas de las calles. Uno de los países mas interesados en obtener fuentes de energías no renovables fue Alemania. n 1920 el científico Imhoff instalo el primer biodigestor en Alemania, este consistía en un estanque hermético, el cual era alimentando con material fermentable para la obtensión del biogás. Pasada la segunda guerra mundial se construyeron un promedio de 40 biodigestores pero su fabricación se detuvo debido a la baja de precios de los combustibles fósiles. n los años 70 se retomo la construcción de biodigestores debido a la crisis del petróleo, pero por problemas técnicos hubo una baja producción de gas y alta inversión que por tal motivo se tuvo que detener bruscamente la producción a fines de los años 80. Con la nueva legislación eléctrica del año 1991 en Alemania, los agricultores que producían electricidad recibieron un pago por kWh producido y entregado a las empresas de distribución lo cual trajo como consecuencia una nueva ola de construcción de biodigestores que aun no termina. (4)
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& & V V La biomasa abarca todo un conjunto heterogéneo de materias orgánicas tanto por su origen como por su naturaleza. n el contexto energético el término biomasa se utiliza para denominar a una fuente de energía renovable basada en la utilización de materia orgánica formada por vía biológica en un pasado inmediato o de los productos derivados de esta. También tienen consideración de biomasa la materia orgánica de las aguas residuales y lodos de depuradora, así como la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, aunque dadas las características específicas de estos residuos se suelen considerar como un grupo aparte. La biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético procede en última instancia de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso fotosintético. sta energía se libera al romper los enlaces de los compuestos orgánicos en el proceso de combustión, dado como productos finales dióxido de carbono y agua. Por este motivo los productos procedentes de biomasa que se utilizan que se utilizan para fines energéticos se denominan biocombustibles, pudiendo ser, según su estado físico, biocombustibles sólidos, en referencia a los que son utilizados básicamente para fines térmicos y eléctricos, y líquidos como sinónimo de los biocarburantes para automatización. La biomasa es una excelente alternativa energética por dos razones. La primera es que se puede obtener una gran diversidad de productos; la segunda, se adapta perfectamente a todos los campos de utilización actual de los combustibles tradicionales. Así, mediante procesos específicos, se puede obtener toda una serie de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que pueden ser aplicados para cubrir las necesidades energéticas de transporte, cocina, industria y electricidad, o servir de materia prima para la industria. (5)
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& * V +VV% V La digestión de la biomasa en condiciones anaeróbicas da origen al llamado ³biogás´, a razón de unos 300 L por Kg de materia seca, con un valor calorífico de unos 5.500kcal/m3. La composición de biogás es variable, pero esta formado principalmente por metano (55-65%) y anhídrido carbónico (35-45%); y en menor proporción, por nitrógeno, (0-3%), hidrogeno (0-1%), oxigeno (0-1%) y sulfuro de hidrogeno (trazas). l poder calorífico del biogás esta determinado por la concentración de metano (9.500 Kcal/m3), pudiéndose aumentar ésta, eliminando todo o parte del anhídrido carbónico que le acompaña. ste tipo de transformación se produce de manera espontánea en pantanos o fondos de lagunas y lagos en los que haya depósitos de materia orgánica. Por este motivo al metano se le ha llamado el ³gas de los pantanos´. También se produce en los vertederos de |SU (|esiduos Sólidos Humanos), pudiendo obtener el gas mediante perforaciones. l biogás se suele utilizar para generar electricidad. n caso de los vertederos, su uso para este fin tiene como ventajas añadidas la quema de metano y su transformación en anhídrido carbónico y agua. De esta forma se reduce el efecto perjudicial del metano como gas de efecto invernadero, la digestión anaeróbica es un proceso típico de la depuración, por lo que también se emplea para el tratamiento de aguas residuales y efluentes orgánicos de industrias agrarias o de explosiones ganaderas. (5)
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! V V " V * # +VV% V Un biodigestor es un compartimiento hermético en el cual se fermenta la materiaV orgánica en ausencia de oxígeno. Como fruto de este proceso se obtiene un gas combustible que poseeVun promedio de 66% de metano y 33% de anhídrido carbónico.V l material resultante de la biodigestión, o efluente, puede ser directamente usado como abono y comoVacondicionador del suelo, pues los nutrientes como el nitrógeno se tornan más disponibles, mientras los otrosVcomo el fósforo y el potasio no se ven afectados en su contenido y su disponibilidad. V Las principales ventajas de los biodigestores son:V -V
Los residuos (biomasa) no necesitan tratamiento antes de su inclusión en el biodigestor.
-V Obtención de energía (biogás). Puede ser empleada en la cocción de alimentos, calefacción, reemplazo de combustible en el funcionamiento de motores. -V Se reduce el problema de olores generado por el almacenamiento de estiércol en la granja. -V Se mantiene el valor fertilizante del estiércol. La mitad o más del nitrógeno orgánico se convierte en amoniaco. Una pequeña cantidad de fósforo y potasio se sedimenta como lodo en la mayoría de los digestores. -V Su manejo es sencillo y no requiere mantenimiento sofisticado. -V
Protección del ambiente por reducción de la carga contaminante de los residuos cuando se hacen vertimientos puntuales o a cuerpos de agua.
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l estiércol digerido es más fácil de almacenar y de bombear.
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l área necesaria para el procesamiento de la excreta es menor si se compara con los sistemas de tratamiento aeróbicos.
-V Para algunos materiales, el costo es relativamente bajo y se puede recuperar la inversión gracias a que se economiza en la compra de otras fuentes de energía y de abonos. (3)
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* & V )VV% V Principalmente se conocen tres tipos de biodigestores de cúpula fija, de cúpula móvil y biodigestor tipo salchicha, estos biodigestores son de flujo continuo lo que permite la entrada y salida constante de fluidoV
* & # V V ,+)V-.: Son aquellos armados en una sola estructura que por regla general es hecha en materiales rígidos (concreto, bloques o ladrillos). Debido a la alta presión que pueden alcanzar en su interior y a la constante variación de la misma, se recomienda su construcción en forma de domo, bajo tierra en suelos estables y firmes, y laVimpermeabilización de la parte interna de la estructura a fin de evitar el escape de líquido y gases. stosVfactores hacen obligatorio el uso de mano de obra altamente calificada para su diseño y construcción.
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V V l modelo de cúpula fija tiene como principal característica que trabaja con presión variable; sus principales desventajas, son que la presión de gas no es constante y que la cúpula debe ser completamente hermética, ello implica cierta complejidad en la construcción y costos adicionales en impermeabilizantes. Sin embargo, este modelo presenta la ventaja de que los materiales de construcción son fáciles de adquirir a nivel local, así como la inexistencia de partes metálicas que pueden oxidarse y una larga vida útil si se le da mantenimiento, además de ser una construcción subterránea.
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* & & V V,+)V ')/VLos biodigestores de este grupo tienen dos estructuras: la primera al igual que en los de estructura sólida fija, va enterrada y hecha en concreto, bloque o ladrillo; la segunda en la mayoría de los casos es una campana metálica que ³flota´ sobre la primera estructura. V V V
Se caracteriza por tener un depósito de gas móvil a manera de campana flotante. sta campana puede flotar en la masa de fermentación o en un anillo de agua. Las ventajas de este tipo de planta son que trabajan a presión constante y se puede determinar la cantidad de gas almacenado por el nivel de la campana; pero tiene como desventaja que está expuesto a la corrosión ya que las campanas son generalmente metálicas. Últimamente se ha experimentado con fibra de vidrio y se han obtenido buenos resultados. Además, presenta costos altos de construcción y de mantenimiento, debido al uso periódico de pintura anticorrosiva.
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* & * V VV0)1%)/ Los altos costos de inversión requeridos para la construcción de biodigestores de estructuras sólidas, impiden que las personas con pocos recursos económicos tengan oportunidad de instalar uno de estos diseños, razón que motivó en Taiwán, en los años 60 la idea de hacer las cámaras de digestión en materiales flexibles (membranas de nylon y neopreno) que aun eran costosas. n los 70 fue usado un material de menor costo, subproducto de las refinerías de aluminio, y veinte años después se recurrió al PVC y al polietileno, material vigente hoy principalmente en América Latina y Vietnam.
Generalmente, estos materiales tienen forma tubular o cilíndrica con la entrada y la salida del material situados en los extremos opuestos y la salida de gas en el centro. l modelo tipo balón, consiste en una bolsa o balón plástico completamente sellado, donde el gas se almacena en la parte superior, aproximadamente un 25% ± 30 % del volumen total. Tiene como desventajas que debido a su baja presión es necesario colocarle sobrepesos al balón para aumentarla. Su vida útil es corta, de aproximadamente 5 años y el material plástico debe ser resistente a la intemperie, así como a los rayos ultravioleta. La planta balón está compuesta de una bolsa de plástico o de caucho completamente sellada. La parte inferior de la bolsa (75% de volumen) se rellena de la masa de fermentación, mientras en la parte superior de la bolsa (25%) se almacena el gas.
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* & 2 V V ) VV-).V V+V / Basado en el modelo Taiwanés, la Fundación CIPAV inició la investigación y promoción de biodigestores plásticos de flujo continuo en 1986. Como fruto de las investigaciones se han estado promoviendo biodigestores que van desde 3 hasta 100 metros cúbicos construidos con polietileno tubular calibre 8 con un diseño que incluye cajas de entrada y salida del material líquido. Las principales ventajas de este tipo de biodigestor, comparado con otros diseños y materiales, son su bajo costo, su facilidad de construcción, instalación y manejo, y su mínimo mantenimiento. (3)
* * VV +VV)V0 V% V La fermentación anaeróbica involucra a un complejo número de microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en tres grandes grupos principales. La real producción de metano es la última parte del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos. Las bacterias productoras del biogás son estrictamente anaeróbicas y por lo tanto sólo podrán sobrevivir en ausencia total de oxígeno atmosférico. Otra característica que las identifica es la sensibilidad a los cambios ambientales debido a lo cual será necesario un mantenimiento casi constante de los parámetros básicos como la temperatura. Las dificultades en el manejo de estas delicadas bacterias explican que la investigación sistemática tanto de su morfología como de la bioquímica fisiológica sólo se halla iniciado hace cincuenta años. Hoy en día gracias a estudios muy recientes podemos conocer mejor el mecanismo y funcionamiento de este complejo sistema microbiológico involucrado en la descomposición de la materia orgánica que la reduce a sus componentes básicos metano y anhídrido carbónico A continuación veamos las diferentes fases de este proceso.
V * * # V -V V ()/ Las bacterias de esta primera etapa toman la materia orgánica virgen con sus largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo y transformando en cadenas más cortas y simples (ácidos orgánicos) liberando hidrógeno y dióxido de carbono. ste trabajo es llevado a cabo por un complejo de microorganismos de distintos tipos que son en su gran mayoría anaerobios facultativos.
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* * & V -V V )V 0/ sta etapa la llevan a cabo las bacterias acetogénicas y realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-COOH y liberando como productos Hidrógeno y anhídrido carbónico. sta reacción es endoexergética pues demanda energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las bacterias acetogénicas. sta baja concentración de productos finales es la que activa la reacción y actividad de estas bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo el equilibrio energético.
* * * V-V 3/VLas bacterias intervinientes en esta etapa pertenecen al grupo de las achibacterias y poseen características únicas que las diferencian de todo el resto de las bacterias, por lo cuál, se cree que pertenecen a uno de los géneros más primitivos de vida colonizadoras de la superficie terrestre. V La transformación final cumplida en esta etapa tiene como principal substrato el acético junto a otros ácidos orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados están constituidos por el metano y el dióxido de carbono. (6) n el siguiente grafico podemos observar las fases que presenta este proceso.
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V ! V Podemos encontrar en el biogás una fuente de energía muy aprovechable ya que en su procesamiento podemos utilizar el estiércol para al obtener biogás y fertilizantes dándole diversos usos y cuidando el medio ambiente.
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V ! " - V 1-V |AKOFF- |OS ; QUIMICA O|GANICA FUNDAM NTAL; DITO|IAL LIMUSA, S.A.; M ICO; 1980. 2-V JAM S B. PI |C ; QUIMICA D LA MAT |IA, PUBLICACION S CULTU|AL S.A.; M ICO; 1973 3-V ASOSIACION COLOMBIANA D PO|CICULTO| S; VALO|IZACION D STI |COL D C |DO A T|AV S D LA P|ODUCCION D BIOGAS; http://www.oiporc.com/contenido/3.2_MANUAL_BIODIG STO|.pdf; 13 D NOVI MB| D L 2010. V
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