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Biomasa: alternativa sustentable para la producción de Biogás (página 2)




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Partes: 1, 2

1.2
Fuentes de
biomasa

Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la
producción de energía cubren un
amplio rango de materiales y
fuentes: los residuos de la industria
forestal y la acuicultura, los desechos urbanos y las
plantaciones energéticas, se usan generalmente, para
procesos
modernos de conversión que involucran la generación
de energía a gran escala, enfocados
hacia la sustitución de los combustibles
fósiles.

Los residuos agrícolas, como la leña y el
carbón vegetal, han sido usados en procesos tradicionales
en los países en vías de desarrollo y a
usos primarios en pequeña escala, por ejemplo, la
cocción de alimentos o las
pequeñas actividades productivas como panaderías,
calderas,
secado de granos, etc.

  • Plantaciones energéticas

Estas son grandes plantaciones de árboles
o plantas
cultivadas con el fin específico de producir
energía. Para ello se seleccionan árboles o plantas
de crecimiento rápido y bajo mantenimiento,
las cuales usualmente se cultivan en tierras de bajo valor
productivo. Su período de cosecha varía entre los
tres y los diez años. También se utilizan arbustos
que pueden ser podados varias veces durante su crecimiento, para
extender la capacidad de cosecha de la
plantación.

Existen también muchos cultivos agrícolas
que pueden ser utilizados para la generación de
energía: caña de azúcar,
maíz,
sorgo y trigo. Igualmente, se pueden usar plantas oleaginosas
como palma de aceite,
girasol o soya y algunas plantas acuáticas como jacinto de
agua o las de
algas, para producir combustibles líquidos como el etanol
y el biodiesel.

  • Residuos forestales

Los residuos de procesos forestales son una importante
fuente de biomasa que actualmente es poco explotada. Se considera
que de cada árbol extraído para la
producción maderera, sólo se aprovecha
comercialmente un porcentaje cercano al 20%. Se estima que un 40%
es dejado en él, en las ramas y raíces, a pesar de
que el potencial energético es mucho y otro 40% en el
proceso de
aserrío, en forma de astillas, corteza y
aserrín.

La mayoría de los desechos de aserrío son
aprovechados para generación de calor, en
sistemas de
combustión directa, en algunas industrias se
utilizan para la generación de vapor. Los desechos de
campo, en algunos casos, son usados como fuente de energía
por comunidades aledañas, pero la mayor parte no es
aprovechada por el alto costo del
transporte.

  • Desechos agrícolas

La agricultura
genera cantidades considerables de desechos: se estima que, en
cuanto a desechos de campo, el porcentaje es más del 60%,
y en desechos de proceso, entre 20% y 40%.

Al igual que en la industria forestal, muchos residuos
de la agroindustria son dejados en el campo. Aunque es necesario
reciclar un porcentaje de la biomasa para proteger el suelo de la
erosión
y mantener el nivel de nutrientes orgánicos, una cantidad
importante puede ser recolectada para la producción de
energía. Ejemplos comunes de este tipo de residuos son el
arroz, el café y
la caña de azúcar.

Por otro lado, las granjas producen un elevado volumen de
residuos húmedos en forma de estiércol de animales. La
forma común de tratar estos residuos es
esparciéndolos en los campos de cultivo, con el doble
interés
de disponer de ellos y obtener beneficio de su valor nutritivo.
Sin embargo, cuando existen cantidades elevadas de
estiércol esta práctica puede provocar una
sobrefertilización de los suelos y la
contaminación de las cuencas
hidrográficas.

  • Desechos industriales

La industria alimenticia genera una gran cantidad de
residuos y subproductos, que pueden ser usados como fuentes de
energía, los provenientes de todo tipo de carnes
(avícola, vacuna, porcina) y vegetales (cáscaras,
pulpa) cuyo tratamiento como desechos representan un costo
considerable para la industria. Estos residuos son sólidos
y líquidos con un alto contenido de azúcares y
carbohidratos,
los cuales peden ser convertidos en combustibles gaseosos. Otras
industrias también generan grandes cantidades de residuos
que pueden ser convertidas para su aprovechamiento
energético, entre estas tenemos a la industria del papel,
del plástico,
las destilerías, etc.

  • Desechos urbanos

Los centros urbanos generan una gran cantidad de biomasa
en muchas formas, por ejemplo: residuos alimenticios, papel,
cartón, madera y aguas
negras. La carencia de sistemas adecuados para el procesamiento
de estos residuos genera grandes problemas de
contaminación de suelos y cuencas, sobre
todo por la inadecuada disposición de la basura y por
sistemas de recolección y tratamiento con costos elevados
operación.

Por otro lado, la basura
orgánica en descomposición produce compuestos
volátiles (metano,
dióxido de carbono, entre
otros) que contribuyen a aumentar el efecto
invernadero. Estos compuestos tienen considerable valor
energético que puede ser utilizado para la
generación de energía limpia.

1.3
Algunas características de la biomasa

Para evaluar la factibilidad
técnica y económica de un proceso de
conversión de biomasa en energía, es necesario
considerar ciertos parámetros y condiciones que
caracterizan y determinan el proceso de conversión mas
adecuado y permiten realizar proyecciones de los beneficios
económicos y ambientales esperados.

1.3.1 Tipo de biomasa

Los recursos
biomásicos se presentan en diferentes estados
físicos que determinan la factibilidad técnica y
económica de los procesos de conversión
energética que pueden aplicarse a cada tipo en particular.
Por ejemplo, los desechos forestales indican el uso de los
procesos de combustión directa o procesos
termoquímicos, los residuos animales indican el uso de
procesos anaeróbicos (bioquímicos), etc. El estado
físico de la biomasa puede clasificarse según el
tipo de recurso, como se indica en la tabla 1:

Tabla 1: Características
físicas de distintos recursos de biomasa

Recursos

de
biomasa

Tipo de
residuo

Características
físicas

Residuos

Forestales

Restos de aserrío: corteza
aserrín, astillas.

Polvo, sólido, Humedad relativa
(HR)>50%

Restos de ebanistería: aserrín,
trozos, astillas

Polvo sólido, HR
30-45%

Restos de plantaciones: ramas, corteza,
raíces.

Sólido, HR >55%

Residuos

agropecuarios

Cáscara y pulpa de frutas y
vegetales,

Sólido, alto contenido humedad

Cáscara y polvo de granos secos (arroz,
café)

Polvo, HR<25%

Estiércol

Sólido, alto contenido humedad

Residuos de cosechas: tallos y hojas,
cáscaras, maleza, pastura.

Sólido HR>55%

Residuos industriales

Pulpa y cáscara de frutas y
vegetales

Sólido, humedad moderada

Residuos de procesamiento de carnes

Sólido, alto contenido humedad

Aguas de lavado y precocido de carnes y
vegetales

Líquido

Grasas y aceites vegetales

Liquido, grasoso

Residuos

urbanos

Aguas negras

Líquido

Desechos domésticos orgánicos
(cáscaras de vegetales)

Sólido, alto contenido humedad

Basura orgánica (madera)

Sólido, alto contenido humedad

1.3.2 Composición química y
física

Las características químicas y
físicas de la biomasa determinan el tipo de combustible o
subproducto energético que se puede generar, por ejemplo,
los desechos animales producen altas cantidades de metano,
mientras que la madera pueden producir el denominado "gas pobre", que
es una mezcla rica en monóxido de carbono (CO). Por otro
lado, las características físicas influyen en el
tratamiento previo que sea necesario aplicar.

1.3.3 Contenido de humedad relativa
(H.R)

El contenido de humedad de la biomasa es la
relación de la masa de agua contenida por kilogramo de
materia seca.
Para la mayoría de los procesos de conversión
energética es imprescindible que la biomasa tenga un
contenido de humedad inferior al 30%. Muchas veces, los residuos
salen del proceso productivo con un contenido de humedad muy
superior, que obliga a implementar operaciones de
acondicionamiento, antes de ingresar al proceso de
conversión de energía.

1.3.4 Porcentaje de cenizas

El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materia
sólida no combustible por kilogramo de material. En los
procesos que incluyen la combustión de la biomasa, es
importante conocer de generación de ceniza y su
composición, pues, en algunos casos, ésta puede ser
utilizada.

1.3.5 Poder
calórico

El contenido calórico por unidad de masa es el
parámetro que determina la energía disponible en la
biomasa. Su poder calórico está relacionado
directamente con su contenido de humedad. Un elevado porcentaje
de humedad reduce la eficiencia de la
combustión debido a que una gran parte del calor liberado
se usa para evaporar el agua y no
se aprovecha en la reducción química del
material.

1.3.6 Densidad
aparente

Esta se define como el peso por unidad de volumen del
material en el estado
físico que presenta, bajo condiciones dadas. Combustibles
con alta densidad aparente favorecen la relación de
energía por unidad de volumen, requiriéndose
menores tamaños de los equipos y aumentando los
períodos entre cargas. Por otro lado, materiales con baja
densidad aparente necesitan mayor volumen de almacenamiento y
transporte y, algunas veces, presentan problemas para fluir por
gravedad, lo cual complica el proceso de combustión, y
eleva los costos del proceso.

1.3.7 Recolección, transporte y
manejo

Las condiciones para la recolección, el
transporte y el manejo en planta de la biomasa son factores
determinantes en la estructura de
costos de inversión y operación en todo
proceso de conversión energética. La
ubicación del material respecto a la planta de
procesamiento y la distancia hasta el punto de utilización
de la energía convertida, deben analizarse detalladamente
para lograr un nivel de operación del sistema por
encima del punto de
equilibrio, con relación al proceso
convencional.

1.4
Procesos de conversión de la biomasa

Antes de que la biomasa pueda ser usada para fines
energéticos, tiene que ser convertida en una forma
más conveniente para su trasporte y utilización. A
menudo, la biomasa es convertida en formas derivadas tales
como carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad.

Las tecnologías de conversión incluyen
desde procesos simples y tradicionales, como la producción
de carbón vegetal en hogueras bajo tierra, hasta
procesos de alta eficiencia como la dendro-energía y la
cogeneración. Los principales procesos de
conversión son:

1.4.1 Conversión
Termoquímica

La conversión termoquímica está
basada en la descomposición de la biomasa por medio de
calor. Esta transforma a la biomasa en productos con
un más alto valor o más convenientes y, dependiendo
de las condiciones del proceso, se obtienen diferentes
proporciones de productos sólidos, líquidos y
gaseosos:

  1. Combustión directa
  2. Pirolisis
  3. Gasificación

1.4.2 Conversión
Bioquímica

Consisten en la transformación de la biomasa por
la acción
de microorganismos o de enzimas, que son
añadidas a los medios de
reacción como catalizadores. Los métodos
bioquímicos son más adecuados a biomasas con un
alto contenido de humedad, debido a que tanto los microorganismos
como las enzimas sólo pueden ejercer sus acciones en
ambientes acuosos, entre los procesos de conversión
bioquímica
se encuentran:

  1. Digestión anaerobia
  2. Fermentación alcohólica

1.4.5 Conversión Fisicoquímica
(Prensado/extracción)

La ruta de conversión fisicoquímica
produce un biocombustible líquido a partir de la biomasa
que contiene aceite vegetal. Esta tecnología es similar
a las rutas de conversión para producir aceite vegetal en
la industria alimenticia.

El aceite vegetal se produce al prensar y/o extraer el
aceite de la semilla. De manera que sólo se pueden usar
especies que contienen aceite, como la semilla de colza, el
girasol, el fríjol de soya y el aceite de palma,
etc.

1.5
Descomposición Anaerobia

El proceso anaerobio es aquel en que se efectúa
la degradación de la materia orgánica en ausencia
de oxígeno
molecular como aceptor de electrones. Tal es el caso, por
ejemplo, de los procesos de producción de alcohol, los
procesos de desnitrificación y de digestión
anaerobia, estos dos últimos empleados en el tratamiento
de aguas residuales.

Los procesos de digestión anaerobia ocurren
normalmente en la naturaleza,
siendo los nichos de estos procesos el fondo de los ríos,
los lagos y el mar, las ciénagas y el tracto intestinal
de, prácticamente, todos los animales.

El proceso de digestión anaerobia se emplea en el
tratamiento de residuales sólidos o líquidos cuando
la concentración de materia orgánica es tan elevada
que no resulta económico el tratamiento
aerobio.

Esta situación se presenta generalmente cuando la
concentración de la demanda
química de oxígeno (DQO) es relativamente elevada.
Sin embargo, en los últimos años se ha venido
aplicando este proceso, con éxitos, a aguas residuales con
bajo contenido de materia orgánica.

La ventaja principal de los procesos anaerobios con
relación a los aerobios se fundamenta en la
transformación de la materia orgánica a
través de una tecnología de bajo consumo
energético, obteniéndose, un balance comparativo de
energía y de masa entre ambos procesos, los resultados se
muestran en la tabla 2:

Tabla 2: Balance energético
de los procesos aerobios y anaerobios

Proceso
aerobio

Proceso
anaerobio

Durante los procesos aerobios cerca del 60% de
la energía se consumo durante la síntesis de nueva biomasa (células de microorganismos) y el
40% de la energía se pierde en la forma de calor
de reacción.

Durante los procesos anaerobios casi 90% de la
energía que existe originalmente en el sustrato
(residual) se retiene en el biogás que se produce
durante estos procesos perdiendo solamente en 7% de la
energía inicial como calor de
reacción.

Durante los procesos aerobios cerca del 50% del
carbono contenido en el sustrato se convierten biomasa y
otros 50% pasa a bióxido de carbono.

Durante los procesos anaerobios cerca del 95%
pasa a biogás (metano (CH4,
C02) y sólo el 5% es convertido
biomasa.

Lo anterior trae como consecuencia los aspectos
prácticos siguientes:

  • En los procesos anaerobios se consumo mucho menos
    energía externa, fundamentalmente eléctrica, que
    en los procesos aerobios, no necesitándose,
    además, equipos mecánicos para el desarrollo de
    estos (por ejemplo compresores o
    agitadores mecánicos), además, se obtiene
    energía, en forma de gas combustible, útil para
    cualquier fin energético.
  • En los procesos anaerobios sólo se generan del
    10 al 30% de los lobos (biomasas) que se producen en los
    aerobios, lo que disminuye considerablemente los costos de
    disposición final de estos; además, los lobos
    anaerobios están mucho más estabilizados que los
    aerobios.
  • En los procesos anaerobios no se producen aerosoles
    potencialmente peligrosos para el ambiente
    circundante de la planta de tratamiento.
  • Por cada kilogramo de DQO eliminado por el metabolismo
    bacteriano, la vía aerobia (lodo activado)
    requerirá 1 Kwh. de energía
    eléctrica para el equipo de aeración.
    Mientras la vía anaerobia producirá el
    equivalente de 3 Kwh., como energía química
    acumulada en el CH4, la cual puede ser convertida en
    una máquina de combustión acoplada a un generador
    eléctrico de eficiencia media (20%), lo que resulta en
    0.6 Kwh. de energía eléctrica/Kg. de DQO
    removida.
  • La aplicación de un proceso anaerobio previo a
    un sistema aerobio puede mejorar la sedimentabilidad del lodo
    contribuyendo a mantener valores
    constantes del índice volumétrico de lodo y un
    control
    mayor del fenómeno de abultamiento en el sistema
    aerobio.

1.6 ¿Qué es el
biogás?

El biogás es un gas producto del
resultado de la degradación anaerobia de materia
orgánica, dicho gas está compuesto por cerca de 60%
de metano y 40% de dióxido de carbono.
Contiene mínimas cantidades de otros gases, entre
ellos 1% de ácido sulfhídrico. Es un poco
más liviano que el aire, posee una
temperatura
inflamación de 700° C y su llama
alcanza una temperatura de 870° C .

El biogás puede ser utilizado como cualquier otro
combustible, tanto para la cohesión de alimentos, en
sustitución de la leña, el queroseno, el gas
licuado, etc., como para el alumbrado, mediante lámparas
adaptadas. Mezclas de
biogás con aire, con una relación 1:20, forman un
gas detonante altamente explosivo, lo cual permite que
también sea empleado como combustible en motores de
combustión interna adaptados.

Es importante aclarar que este gas puede usarse como
combustible sólo cuando el metano se encuentra en
concentraciones mayores o iguales a 50 %.

1.7
Factores que influyen en el proceso de digestión
anaerobia

Durante mucho tiempo se
consideró a la digestión anaerobia como un sistema
bifásico, compuesto por la fase no metanogénica en
que las bacterias
anaerobias transformaban los substratos en productos solubles y
gaseosos incluyendo acetatos, CO2, H2; y
otra, la metanogénica donde las bacterias formadoras de
metano (CH4) utilizaban el acetato, mezclas de
H2 y CO2 entre otros substratos para su
metabolismo. Los términos con que se han identificado
estas fases (acidificación y gasificación) no
fueron del todo correctos; por cuanto, en la primera etapa no
todos los productos que se forman son ácidos;
así como no todos los productos gaseosos son derivados de
la llamada etapa de gasificación

Más tarde, se admitió que en la fermentación bacteriana intervienen
poblaciones microbianas diversas, en la que se distinguen cuatro
etapas: hidrólisis, acidogénesis,
acetogénesis y metanogénesis.

  • Hidrólisis o licuefacción: en esta
    etapa los compuestos
    orgánicos son solubilizados por enzimas excretadas
    por bacterias hidrolíticas que actúan el exterior
    celular por lo que se consideran exoenzimas. La
    hidrólisis es por tanto, la conversión de
    polímeros en sus respectivos
    monómeros.
  • Acidogénesis: en esta etapa los compuestos
    orgánicos solubles que comprenden los productos de la
    hidrólisis son convertidos en ácidos
    orgánicos tales como acético, propiónico y
    butírico, fundamentalmente.
  • Acetogénesis: se le conoce también como
    acidogénesis intermediaria en la cual los productos
    correspondientes son convertidos en ácido
    acético, hidrógeno y dióxido de
    carbono.
  • Metanogénesis: en esta etapa metabólica
    el CH4 es producido a partir del ácido
    acético o de mezclas de H2 y CO2,
    pudiendo formarse también a partir de otros sustratos
    tales como ácido fórmico y metanol.

Las cuatro etapas metabólicas que ocurren en los
procesos de digestión anaerobia pueden ser representadas
según la figura 1.

Figura 1: Etapas de la
fermentación bacteriana (Montalvo, 2003)

En el proceso de conversión anaerobia
también intervienen otros factores como por ejemplo: del
pH, la
temperatura, la disponibilidad de nutrientes, la presencia de
sustancias tóxicas, el tiempo de retención, la
relación carbono – nitrógeno (C:N ) y el
nivel de carga (An 1996).

  1.  El rango de pH óptimo es de 6.6 a
    7.6. Los ácidos grasos volátiles (AGV) y el
    acetato tienden a disminuir el pH del sustrato. Si las
    bacterias metanogénicas no alcanzan a convertir
    rápidamente los AGV a medida que lo producen las
    bacterias acetogénicas, estos se acumulan y
    disminuyen el pH en el biodigestor. Sin embargo, el
    equilibrio CO2-bicarbonato opone
    resistencia al cambio
    de pH.

    Existen dos métodos prácticos para
    corregir los bajos niveles de pH en el biodigestor. El
    primero es parar la alimentación
    del biodigestor y dejar que las bacterias
    metanogénicas asimilen los AGV; de esta forma
    aumentará el pH hasta un nivel aceptable. Deteniendo
    la alimentación disminuye la actividad de las
    bacterias fermentativas y se reduce la producción de
    los AGV. Una vez que se haya restablecido el pH se puede
    continuar la alimentación del biodigestor pero en
    pocas cantidades, después se puede ir aumentando
    gradualmente para evitar nuevos descensos.

    El segundo método consiste en adicionar
    sustancias buffer para aumentar el pH, como el agua con
    cal. Las cenizas de soda (carbonato de sodio) constituyen
    una variante más costosa, pero previenen la
    precipitación del carbonato de calcio. Los
    requerimientos de buffer varían según el
    residual, los sistemas de operación y tipos de
    operación. Las normas
    para calcular estos requerimientos han sido desarrolladas
    por Pohland y Suidon (1978).

  2. PH

    Los niveles de reacción química y
    biológica normalmente aumentan con el incremento de
    la temperatura. Para los biodigestores de biogás
    esto es cierto dentro de un rango de temperatura tolerable
    para diferentes microorganismos. Las altas temperaturas
    causan una declinación del metabolismo, debido a la
    degradación de las enzimas; y esto es crítico
    para la vida de las células. Los microorganismos
    tienen un nivel óptimo de crecimiento y metabolismo
    dentro de un rango de temperatura bien definido,
    particularmente en los niveles superiores, los cuales
    dependen de la termoestabilidad de la síntesis de
    proteínas para cada tipo particular
    de microorganismo.

    Las bacterias metanogénicas son más
    sensibles a los cambios de temperatura que otros organismos
    en el biodigestor. Esto se debe a que los demás
    grupos
    crecen más rápido, como las
    acetogénicas, las cuales pueden alcanzar un
    catabolismo sustancial, incluso a bajas
    temperaturas.

    Existen tres rangos de temperatura para la
    digestión de residuales, el primero es el
    mesofílico (de 20 a 45 0C), el segundo es
    el termofílico (por encima de 45 0C). El
    óptimo puede ser de 35 0C a 55
    0C. La ventaja de la digestión
    termofílica es que la producción de
    biogás es aproximadamente el doble que la
    mesofílica, así que los biobiodigestores
    termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los
    mesofílicos, manteniendo su eficiencia
    general.

    Se han realizado numerosos trabajos sobre la
    digestión termofílica en países
    templados. Sin embargo, se requieren considerables
    cantidades de energía para calentar los residuales
    hasta 55 0C. El tercer rango
    (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25
    0C. Existen algunas restricciones para el uso de
    esta temperatura en la digestión anaerobia, como son
    la necesidad de utilización de: reactores anaerobios
    de cama fija (UASB), inóculos mesofílicos, un
    tiempo de retención alto y mantener una
    acidificación baja.

  3. Temperatura

    Además de una fuente de carbono
    orgánico, los microorganismos requieren de
    nitrógeno, fósforo y otros factores de
    crecimiento que tienen efectos complejos. Los niveles de
    nutrientes deben de estar por encima de la
    concentración óptima para las
    metanobacterias, ya que ellas se inhiben severamente por
    falta de nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de
    nutrientes no debe ser un problema con los alimentos
    concentrados, pues estos aseguran en más que
    suficientes las cantidades de nutrientes.

    Por otra parte, la descomposición de
    materiales con alto contenido de carbono ocurre más
    lentamente, pero el período de producción de
    biogás es más prolongado. Los materiales con
    diferentes relaciones de C:N difieren grandemente en la
    producción de biogás. Por ejemplo, la
    relación de C:N en residuales porcinos es de 9 a 3;
    en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para humanos
    es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La
    relación óptima se considera en un rango de
    30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8:1 inhibe la
    actividad bacteriana debido a la formación de un
    excesivo contenido de amonio.

  4. Nutrientes

    Los compuestos tóxicos incluso en bajas
    concentraciones, afectan la digestión y disminuyen
    los niveles de metabolismo. Las bacterias
    metanogénicas son generalmente las más
    sensibles, aunque todos los grupos pueden ser
    afectados.

    Un nutriente esencial también puede ser
    tóxico si su concentración es muy alta. En el
    caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo
    para garantizar un buen funcionamiento sin efectos
    tóxicos es particularmente importante. Por ejemplo,
    en alimentos de alto contenido de proteína para el
    ganado, un desbalance por altos contenidos de
    nitrógeno y bajas disponibilidades
    energéticas, causa toxicidad por generación
    de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser
    mantenido en 80 ppm. Sin embargo, una concentración
    más alta, alrededor de 1500-3000 ppm, puede ser
    tolerada.

    Se debe tener precaución para evitar la
    entrada al biodigestor de ciertos iones metálicos,
    sales, bactericidas y sustancias químicas
    sintéticas. Se reportado la reducción de gas
    cuando son utilizadas excretas de animales tratados
    con antibióticos.

  5. Toxicidad

    Este parámetro es calculado como la materia
    seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es
    cargada o vertida diariamente por metro cúbico de
    volumen de biodigestor. La MO o sólidos
    volátiles (SV) se refiere a la parte de la MS o
    sólidos totales (TS), que se volatilizan durante la
    incineración a temperaturas superiores a 500
    0C. 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 % de la mezcla agua
    estiércol. Según los requerimientos
    operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS
    no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estiércol
    en la mayoría de los casos. Por eso, los residuales
    de granjas se deben diluir antes de ser
    tratados.

    La eficiencia de la producción de
    biogás se determina generalmente expresando 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 1% al 30%. La concentración
    óptima depende de la temperatura. En China,
    la concentración óptima es del 6% en el
    verano a temperaturas entre 25-27 0C y entre 10
    y 12 % en la primavera a temperaturas de 18-23
    0C.

  6. Nivel de Carga
  7. Tiempo de retención

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 determinan dividiendo la
    cantidad de MO o SV que entra al biodigestor entre la cantidad
    de MO que sale del sistema cada día. El TRSB es asumido
    para representar la media del tiempo de retención de los
    microorganismos en el biodigestor.
  2. El tiempo de retención hidráulico (TRH)
    es la relación entre el volumen del
    biodigestor (VD) y la media de la carga diaria.

Estos parámetros son importantes para los
biodigestores avanzados de alto nivel, los cuales han 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.

1.8
Reactores o sistemas anaerobios.

En el presente hay, a nivel mundial, decenas de tipos de
reactores o biodigestores anaerobios ya aplicados o se
están estudiando con intensidad a escala de laboratorio.

Existen diferentes maneras de clasificar los reactores
anaerobios que procesan aguas residuales, pero la forma
más general es agruparlos y clasificarlos en biodigestores
de primera generación y de segunda generación tal
como lo muestra la tabla
3:

Tabla 3: Clasificación de
los reactores anaerobios

De 1ra
generación

De 2da
generación

Con crecimiento
en soporte

Con crecimiento
disperso

  • Tanques sépticos
  • Lagunas anaerobias
  • Minibiodigestores Biodigestores
    convencionales
  • Híbrido
  • Lecho fijo
  • Lecho fluidizado o expandido
  • Filtro anaerobio con carbón
    activado
  • Inmovilización de
    microorganismos
  • Asociado a partículas
    suspendidas
  • Contactor rotatorio anaerobio
  • Columna de plato
  • Lodo activado anaerobio
  • UASB
  • EGSB
  • Circulación interna
  • Con ascensión de gas
  • Modificado de alta velocidad
  • Membrana
  • Flujo horizontal con deflectores
  • Dos etapas
  • Percoladores en serie
  • Tubular inclinado

 

En los reactores de 1ra Generación, el tiempo de
retención hidráulico es igual al tiempo de
retención de sólidos. En los de segunda
generación, el tiempo de retención de
sólidos es mayor que el tiempo de retención
hidráulico y como consecuencia, el proceso es mucho
más eficiente.

Los sistemas de tratamientos anaerobios de segunda
generación más aplicados a escala real son los
siguientes : reactor o biodigestor anaerobio de flujo ascendente
con manto de lodo (UASB), reactor anaerobio de lecho fijo,
proceso de contacto anaerobio o biodisco anaerobio o contactor
rotatorio anaerobio, reactor anaerobio con circulación
interna (IC), reactor anaerobio con lecho granular expandido
(EGSB), reactor híbrido, lecho fluidizado y/o
expandido.

1.8.1 Minibiodigestores

Estos biodigestores son utilizados, fundamentalmente,
para obtener biogás a partir de residuos domésticos
y/o residuos agropecuarios (Souza, 1984; Larrondo, 1983). En el
primer caso sirven a una familia, o a
pocas personas si son varias familias, y en el segundo caso, a
pequeñas instalaciones pecuarias. En general éstos
consisten en fosas o pequeños tanques que funcionan, casi
siempre, en forma semicontinua.

En general no son altamente eficientes desde el punto de
vista de la biodegradación de los residuos y además
necesitan elevados tiempo de retención para lograr un buen
comportamiento
del proceso. Los minibiodigestores más utilizados a nivel
mundial son los de tipo hindú o los del tipo chino,
existiendo cientos de miles y millones, respectivamente
.

Los minibiodigestores operan bajo el principio
hidrostático de que la entrada de la carga diaria de
residual al biodigestor por gravedad hasta el fondo del tanque,
además de producir agitación, provocada la salida
de un volumen equivalente de lodos digeridos.

El biodigestor tipo hindú consiste en un tanque
reactor vertical que tiene instalado una campana flotante
recolectora de biogás. De esta forma, la presión
del gas sobre la superficie de la mezcla es muy baja, de
alrededor de 300 mm de columna de agua. Con esta campana se
logra, además, una presión constante, lo que
permite una operación eficiente de los equipos a los que
alimenta. La campana también ayuda al rompimiento de la
espuma que se forma en muchos biodigestores. En este biodigestor
se alcanzan productividades volumétricas (Pv) de 0.5 a
1m3 de biogás/volumen de reactor por
día. Un esquema de dicha instalación se muestrea en
la figura 2:

Figura 2: Biobiodigestor modelo
hindú

El biodigestor tipo chino no tiene campana flotante,
sino techo fijo para la recolección del biogás. Son
tanques redondos y achatados con el techo y el piso en forma de
domo. En este caso, a medida que aumenta la producción de
gas, aumenta la presión en el domo o cúpula fija,
forzando al líquido en los tubos de entrada y salida a
subir, llegándose a alcanzar presiones internas de hasta
más de 10 mm de columna de agua. Como consecuencia de la
variación de presión, la que aumenta al generarse
el gas y disminuye al consumirse éste, se reduce la
eficiencia en los equipos consumidores. La Pv en los
biodigestores chinos está, generalmente, entre 0.15 y 0.2
m3 /m3 *d. Un esquema de dicha
instalación se muestrea en la figura 3.

Los tiempos de retención de operación para
los biodigestores tipo chino son de 30 a 60 días,
requiriéndose para alcanzar la misma eficiencia
(máximo 50% de reducción de la materia
orgánica) de 1/2 a 1/3 de este tiempo de retención
en los biodigestores tipo hindú.

Figura 3: Biobiodigestor modelo
chino

1.9 Aplicaciones de la digestión
anaerobia

La digestión anaerobia es considerada como una de
las fuentes de energía más económicas y de
fácil adquisición para pequeñas comunidades.
El biogás obtenido puede ser utilizado para
múltiples aplicaciones: cocción de alimentos,
iluminación, refrigeración, calefacción ambiental
para uso residencial y comercial, calor útil para procesos
industriales, echar andar bombas de agua y
otras maquinarias agrícolas, motores de combustión
interna para energía motriz, y generación de
electricidad tal como lo muestra en la figura 4:

Figura 4: Aplicaciones de la
digestión anaerobia

Entre los factores que determinan el uso de la
digestión anaerobia como una alternativa viable que
garantiza una fuente de energía renovable y confiable
más limpia podemos citar los siguientes:

  • Ayuda a mitigar el cambio climático, al
    prevenir que el metano sea liberado en el aire.
  • Reduce la contaminación del agua, al usar las
    materias primas que podrían terminar en ríos o
    lagos.
  • La materia
    prima es de fácil recuperación en ganado
    estabulado o donde los costos laborales son bajos.
  • Es económicamente viable con un abastecimiento
    regular de estiércol de ganado o de otra materia
    prima.
  • Requiere un área pequeña, en
    comparación con la disposición de los desechos
    municipales sólidos.
  • Incrementa las condiciones de higiene.
  • Reduce las molestias causadas por el
    olor.
  • Ayuda a reducir las plantas, que como los lirios
    acuáticos se han vuelto una plaga.
  • Además del combustible, el proceso de
    fermentación proporciona lodos residuales que pueden
    usarse como alimento para animales o como abono de excelente
    calidad y de
    más rápida producción, contribuyendo de
    esta manera a la conservación y el sostenimiento de la
    fertilidad del suelo.

1.10 Uso
de la digestión anaerobia en algunos
países

1.10.1 Países en vías de
desarrollo

La tecnología del biogás es conocida en la
mayoría de los países en vías de desarrollo,
misma que ha alcanzado un extenso uso en las últimas
décadas. Los biodigestores en estos países son
generalmente alimentados con estiércol animal, un recurso
biomásico con un gran potencial. También se han
instalado con éxito
unidades más pequeñas, alimentadas con los
desperdicios de las cocinas, lirios acuáticos, excremento
humano y paja.

Figura 5: Una mujer cocinando
con gas producido por estiércol animal y humano, Camboya.
(Foto G. Buthaud/FAO).

China es un líder
mundial en la aplicación de las tecnologías de la
digestión anaerobia. En los años de 1970, el
gobierno chino
desarrolló el primer programa de
biomasa a gran escala cuando instaló: 7 millones de
biodigestores, principalmente en la provincia cálida y
húmeda de Sechuán, que proporcionan biogás
para cocinar y alumbrar a unos 25 millones de chinos; y,
alrededor de 10,000 biodigestores de tamaño grande y
mediano que suministran electricidad a las granjas.

Además de los millones de unidades de
tamaño doméstico en China, en la actualidad hay
unas 150 unidades que operan con aguas residuales de origen
industrial. Y, por cuestiones ambientales, existe la prioridad de
utilizar la digestión anaerobia en las destilerías
y en otras plantas industriales.

El segundo programa más grande fue lanzado en la
India, donde
en 1985 se instalaron 280,000 biodigestores de pequeña
escala. Aún cuando en ese país se encuentran en uso
varios modelos de
plantas de biogás, la "Deenbabdhu" (que significa amigo
del pobre) ha sido rigurosamente probada en diferentes
condiciones agroclimáticas, y es considerada como la
más fuerte y barata. La India está empezando a
producir biogás a partir de los desechos industriales. Un
gran número de granjas lecheras, que durante muchos
años habían sido una fuente importante de
contaminación para los ríos, está usando
ahora la metanización para procesar el estiércol
animal y otros desechos, y el biogás resultante se usa
para generar energía. En la actualidad se han instalado
también plantas para el uso de las aguas residuales de
algunas destilerías (MPUVN, 2000).

Figura 6: Planta de
metanización para procesar estiércol de ganado en
la generación eléctrica. India (foto Madhya Pradesh
Urja Vikas Nigam Ltd, Bhopal)

Se han desarrollado proyectos de
colaboración con el fin de promover el biogás en
algunos países como Tanzania, Senegal, Viet Nam, Tailandia
y, también, en América
Latina. La transferencia de conocimientos y capacidades no es
solamente una operación Norte a Sur, sino también
Sur a Sur, como la India que promueve su tecnología en
Camboya.

No obstante, el número de proyectos de
biogás que han tenido éxito fuera de China y la
India es pequeño, y sólo algunos pocos han
comprobado ser sostenibles en un período más largo
de tiempo. Se ha reportatado que, durante los años de 1970
el gobierno brasileño instaló en la Provincia
Noroeste alrededor de 200 biodigestores de diseño
hindú y chino. Debido, en parte, al clima local ambos
diseños tuvieron problemas de fracturas y corrosión, y en consecuencia fugas y
pérdidas de gas. Recientemente, estos modelos han sido
mejorados y adaptados a las condiciones locales, como el
biodigestor "PE" que ahora está siendo usado con
éxito en la generación de energía y la
producción de abonos.

1.10.2 Países desarrollados

Los países industrializados tienen algunos
programas de
divulgación para el uso de los biobiodigestores, y han
construido biodigestores más grandes y con un control
más elaborado.

En estos países, los biodigestores de metano
tienden más a usar los lodos de aguas residuales, los
desechos municipales sólidos o las aguas orgánicas
residuales de origen industrial (procesamiento alimenticio,
lecherías, cervecerías, farmacéuticas, pulpa
y papel y producción de alcohol).

Alemania, por ejemplo, ha implementado la primera planta
piloto completa en un sistema vitivinícola sostenible que,
con el fin de satisfacer su demanda de electricidad, usa las
aguas residuales y los desechos para obtener energía a
través de la conversión anaerobia .

Algunos países, como Suecia, están usando
en la producción de biogás también los
subproductos de cultivos que tienen un bajo contenido de lignina,
tales como el trigo y la alfalfa. Se ha encontrado que este
último es un cultivo preferible debido a los bajos costos
de sus insumos.

Figura 7: Recuperación de
gas de un relleno sanitario. Se usa en una (Foto Jenbacher
AG/BMWA planta térmica y de fuerza motriz
combinada, Austria.)

El gas producido en los rellenos sanitarios está
continuamente cobrando importancia. Existen algunas plantas
generadoras de energía que ya están operando en
Austria, Francia,
Finlandia, el Reino Unido y los Estados Unidos.
BMWA reporta que, además de algunas pequeñas
instalaciones, la planta más grande que genera
energía a partir de los rellenos sanitarios en Europa
está en Viena, la cual ha recuperado gas para producir
energía desde 1991, y algunos países con clima seco
como Israel, que no
pueden destinar grandes áreas agrícolas para la
bioconversión de combustibles, han instalado plantas de
biogás para la explotación de los desechos
municipales y agrícolas, así como también de
las aguas residuales. El gas es usado tanto para la
generación de electricidad en motores de diesel
modificados, o como una fuente de calor en procesos industriales
.

Se han desarrollado algunos programas de computación a fin de proporcionar una
evaluación preliminar acerca de la
viabilidad técnica y económica de la
digestión anaerobia del estiércol animal, los
desechos y las aguas residuales industriales, los desechos
municipales sólidos o de combinaciones (co-
digestión). Los programas son completamente interactivos,
permitiendo la selección
de varios tipos de biodigestores y materias primas.

Bibliografía

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    Ministry of Economics Affairs (BMWA), Vienna, 22
    pp.
  • Contreras, L. (2006) Producción de
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    histórico a lo estratégico. Revista
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  • Dobelmann J.K. and D.H. Müller (2000). "The
    sustainable winery". ABIRER, Germany.
  • Gil, S. R. (2001) Información climatológica para la
    aplicación de energía de la biomasa.
    Volumen, DOI:
  • GTZ pectoral Project "Promotion of anaerobic
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    and wastewater". L. Hulshoff Pol; H. Euler; S. Schroth; T.
    Wittur; D. Grohganz. En: Memorias V
    taller y Seminario
    Latinoamericano Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales,
    Viña del Mar, Chile, 1998.
  • Gustavsson, L., P. Börjesson, B. Johansson and
    P. Svenningsson (1995). "Reducing CO2 Emissions by Substituting
    Biomass for Fossil Fuels." Energy 20(11):
    1097-1113.

 

 

 

Autor:

Carlos Luis Urbáez
Méndez

Leila Carballo Abreu

Yasiel Arteaga Crespo

Francisco Márquez Montesino

Universidad de Pinar del Río

"Hermanos Saíz Montes de Oca"

Facultad de Forestal y Agronomía

Departamento de Química

Partes: 1, 2
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