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

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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

  • BMWA (1998). Renewable Energy in Austria. Federal Ministry of Economics Affairs (BMWA), Vienna, 22 pp.
  • Contreras, L. (2006) Producción de biogás con fines energéticos. De lo histórico a lo estratégico. Revista futuros Volumen VI,
  • 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 technology for the treatment of municipal and industrial wastes 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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