Estado del arte de la investigación de la biomasa como alternativa energética

Introducción

La energía en su mayor parte se produce con
combustibles fósiles como el petróleo y el
carbón. Sin embargo, en los últimos años se
ha venido implementando un conjunto de nuevas tecnologías
que utilizan la biomasa como combustible, generando un porcentaje
de energía limpia, el cual reduce los Gases de Efecto
Invernadero (GEI) que tanto daño está causando a
nuestro planeta tierra, estos gases que afectan el medio ambiente
son: el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el
dióxido de carbono (CO2), los cuales causan el efecto del
calentamiento global del planeta (Carmona et al.,
2005).

Biomasa, según el Diccionario de la Real Academia
Española, tiene dos acepciones:

• 1. f. Biol. Materia total de los seres que
  viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad
  de área o de volumen.

• 2. f. Biol. Materia orgánica originada
  en un proceso biológico, espontáneo o
  provocado, utilizable como fuente de energía
  (Española, 2012).

La primera acepción se utiliza habitualmente en
Ecología. La segunda acepción, más
restringida, se refiere a la biomasa 'útil' en
términos energéticos formales: las plantas
transforman la energía radiante del Sol en energía
química a través de la fotosíntesis, y parte
de esa energía química queda almacenada en forma de
materia orgánica; la energía química de la
biomasa puede recuperarse quemándola directamente o
transformándola en combustible (biogás).

Energía Renovable: Se denomina energía
renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales
virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de
energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse
por medios naturales. Entre las energías renovables se
cuentan la eólica, geotérmica,
hidroeléctrica, maremotriz, solar, undimotriz, la biomasa
y los biocombustibles (Wikipedia, 2012).

Como se menciono en la definición de biomasa, es
una fuente de energía renovable del cual se puede obtener
"biogás" la bibliografía especializada hace
referencia de diversa manera la historia y la naturaleza del
biogás, pero todos coinciden en señalar que es el
gas biológico combustible obtenido mediante la digestion
anaeróbica de los compuestos o materia de origen organico,
es decir bacterias que se encargan de descomponer el residual
orgánico, produciendo una fermentación
anaeróbica en ausencia de oxigeno, cuyo principal
componente es el metano (CH4), e identificado por primera vez en
1667, por shiley, como "gas de pantanos". Se afirma que la
primera instalación de biogás se construyó
en 1859 en Bombay, India para el tratamiento de excretas humanas,
y el gas que en ella se generó fue utilizado para el
alumbrado; a partir de ese momento se ha incrementado el
número de biodigestores, y actualmente funcionan en ese
país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la
región que tiene un mayor número de este tipo de
instalaciones, aproximadamente 6,7 millones (Sorrondequí,
2012).

El biogás es un gas compuesto por alrededor de
60% a 66% de gas metano (CH4) y 33% a 40 % de bióxido de
carbono (CO2) y otras cantidades minimas de gases, entre ellos 1
% de ácido sulfhídrico (H2S). Es un poco más
livianos que el aire y posse una temperatura de inflamción
de 700 0C, y su llama alcanza una temperatura de 870 0C. Con un
contenido de metano mucho menor de 50 %, el biogás deja de
ser inflamable. Su poder calorifico promedio es de 5000 Kcal. Un
metro cúbico de biogas permite generar entre 1.3-1.6 KWh,
que equivalen a medio litro de petróleo, aproximadamente
(J. E. Coto, 2007).

El biogas puede ser utilizado como cualquier otro
combustible, tanto para la cocción de alimentos, en
sustitución de la leña, el keroseno, el gas
licuado, etc., tambien puede utilizarse para el alumbrado,
mediante lámparas adaptadas. Las mezclas de biogás
con aire, en una relación 1:20, forman un gas detonante
altamente explosivo, lo cual permite que tambien sea empleado
como combustible en motores de combustión interna
adaptados (Cadavid, 1998).

CAPITULO I

Marco
teórico

• 1. LAS FUENTES RENOVABLES DE
  ENERGIA.

Las fuentes renovables de energía (FRE), o
fuentes limpias de energía, por excelencia son la
energía solar y sus manifestaciones como el viento, que es
producto de un calentamiento desigual de la Tierra por parte de
la radiación solar; la hidráulica, que tiene su
origen en la evaporación, también por la
acción del calor solar, del agua de los océanos,
lagos y ríos, encharcamientos, etcétera, y su
posterior condensación y caída en forma de lluvia;
la biomasa, que es materia orgánica que está
formada por arbustos, árboles, pastos, cultivos, residuos
orgánicos, que se nutrieron con la participación de
la energía del sol; el oleaje marino, que es a su vez
ocasionado por el viento, entre otras, en la figura 1 se puede
observar las FRE. La energía geotérmica y la de las
mareas también se consideran renovables, aunque son
quizás, junto con los combustibles nucleares, las
únicas fuentes energéticas que no tienen su origen
en el sol. Sin embargo el petróleo y sus derivados,
así como el carbón mineral, se formaron durante
millones de años a partir de la fosilización de
biomasa en procesos energéticamente muy poco eficientes,
los cuales emanan gases contaminantes en la atmosfera,
produciendo el Efecto Invernadero (GEI) que tanto daño
está causando a nuestro Planeta Tierra ya que genera
cambios climáticos que afectan a todas las especies
animales y plantas, estos gases que afectan el medio ambiente
son: el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el
dióxido de carbono (CO2), los cuales causan el efecto del
calentamiento global del planeta (Carmona et al.,
2005).

Figura 1 Fuentes Renovables de
Energía (FRE)

• 2. EVOLUCION HISTORICA DE LA
  APLICACIÓN DE LAS FUENTES RENOVABLES.

Durante milenios el hombre basó su consumo
energético en las fuentes renovables de energía;
desde su origen empleó biomasas para cocinar sus alimentos
y calentarse; hace mas de 6,500 años ya empleaba la
energía del viento para propulsar embarcaciones y
posteriormente la empleó para moler sus granos y para
irrigar sus campos de cultivo. Se tienen referencias sobre
proyectos del emperador Hammurabi para irrigación
empleando la energía eólica que data del 1700 A.C.
(Ricón Mejia, 2006)

Posteriormente los persas, los griegos, los chinos, los
holandeses, etc., emplearon con éxito a través de
los siglos la energía del viento. En la actualidad existen
aún en operación algunos centenares de aerobombas
del tipo multipala, del cual se fabricaron más de seis
millones, después de su invención en
1854.

Fue el descubrimiento de grandes yacimientos de
combustibles fósiles, y el desarrollo de las
tecnologías que permitían su explotación, la
causa de que cayeran en desuso estos pequeños sistemas
descentralizados de aprovechamiento de las fuentes renovables de
energía, y de que se establecieran en su lugar sistemas
altamente centralizados, que si bien ofrecían
energía abundante y barata para el desarrollo industrial,
trajeron consigo la implantación de patrones de consumo
irracional de ésta y como consecuencia el deterioro del
medio ambiente, crecimiento desbordado de las ciudades, con los
problemas que esta genera, aunado con el abandono gradual del
sector rural.

A partir de entonces, la evolución de los
sistemas de aprovechamiento de las FRE se ha caracterizado por
una sucesión de períodos de entusiasmo seguidos por
otros de estancamiento, que han dependido de los costos y
disponibilidad de los recursos fósiles. El periodo de gran
entusiasmo comprendió los inicios de los 50"s y mediados
de los 60"s, en el que se funda la Sociedad Internacional de
Energía Solar (ISES) en 1954 y se efectúa la
conferencia mundial de la ONU sobre fuentes nuevas de
energía en 1961, siguió un periodo de estancamiento
ocasionado por los bajos precios del petróleo.

El embargo petrolero árabe de 1973, que
recientemente cumplió 39 años de haberse realizado,
originó como reacción en los países
industrializados afectados (Noruega, Holanda, US, China,
Alemania, Japón, Gran Bretaña, India), el
establecimiento de programas y políticas orientados a la
sustitución del petróleo como fuente
energética con base en gran medida en las FRE, con lo que
se impulsó nuevamente su investigación y
desarrollo. Paralelamente se busco la diversificación de
proveedores de petróleo, y el ahorro de energía en
la industria, el transporte, etc. Tanto éxito tuvieron las
medidas de ahorro (y se sigue avanzando en este sentido, como
ejemplo podemos mencionar la eficiencia que se ha desarrollado en
los motores de los automóviles), que la demanda de
energía en esos países se vio drásticamente
detenida, ocasionando esto a su vez, una tendencia a la baja en
los precios del petróleo y una nueva disminución de
los presupuestos oficiales para investigación y desarrollo
de FRE, ya que un porcentaje del producto interno bruto (PIB) de
la explotación del petróleo se destina para la
investigación. A 39 años de distancia, actualmente
el consumo per cápita de petróleo en los EUA es muy
inferior al correspondiente a 1973, pero las importaciones de
crudo por parte de ese país, se han incrementado en forma
neta a niveles récord muy superiores a los de aquel
año, seguramente por lo bajo que está su precio en
el mercado internacional, gracias a políticas y acciones
enfocadas a ese fin.

En ese breve periodo (crisis petroliferas1973 y 1979),
se lograron desarrollar sistemas confiables, eficaces y altamente
rentables desde el punto de vista económico. Ejemplo de
ellos son los aerogeneradores empleados ya por millares, los
diversos sistemas de calefacción para uso
doméstico, la producción de miles de metros
cuadrados de módulos fotovoltaicos y la producción
de metanol y su empleo como combustibles a partir de
biomasas.

La creciente inclusión de los costos del
daño ambiental (llamada internacionalmente costos
ambientales) a nuestro planeta tierra, ocasionados por la
explotación del petróleo nos llevan a tomar medidas
en los procesos de generación de energía,
traerá aparejados nuevos referentes y reformulaciones
sobre la rentabilidad real de los proyectos de
implantación de las FRE. Esta internalización de
los costos ambientales puede representar una de las
transformaciones estructurales del mercado de los
energéticos más significativos, debido a que las
FRE se consideran energías limpias, desde la
implantación del petróleo como fuente predominante
en la base energética mundial.

Debido al factor de daño ambiental, al desarrollo
tecnológico propio de algunas FRE y a los costos de
calidad incorporados en el precio de los combustibles
fósiles, actualmente se vislumbra un panorama de
expansión en el uso de las FRE a nivel mundial y
previsible, con dicha expansión y con el fortalecimiento
de los aún incipientes mercados, se producirá, a su
vez, otra transformación estructural en estos mercados que
incluye: economías de escala en su producción y
comercialización, difusión general de sus
tecnologías y una aceptación cultural que
harán posible el uso creciente y generalizado de dichas
energías.

• 3. BIOMASA FUENTE RENOVABLE DE
  ENERGÍA.

El uso de la biomasa (plantas, hojas secas, desechos
animales) es casi tan viejo como el hombre. Basta con secarlas y
quemarlas para obtener energía térmica. Sin
embargo, esta forma rudimentaria de utilizarlas, contribuye en
gran medida a la deforestación y la secuela de problemas
que ésta acarrea (disminución en la productividad
de la tierra, desertificación). Esta situación se
irá agravando cada vez más mientras el principal
energético del medio rural siga siendo la leña.
Urge pues, dotar al sector rural de una fuente alterna de
energía.

Como ya se menciono anteriormente, la biomasa primaria
es la vegetal, sin embargo, ésta puede ser transformada
por otros seres vivos que se nutren de la misma y generan la
denominada biomasa animal o biomasa de los residuos animales.
Asimismo, diversas actividades industriales que manejan biomasa
vegetal o animal generan subproductos. Los núcleos de
población, fruto de la actividad cotidiana de sus
habitantes, también generan residuos, en la siguiente
figura 2 se presenta estas fuentes de biomasa.

Una buena opción consiste en generar gas metano a
partir de la fermentación de la materia orgánica
contenida en los desechos animales y humanos, por la
acción de las bacterias anaerobias dentro de
digestores.

Figura 2.- Fuentes de biomasa.

El metano podría emplearse para cocinar alimentos
o en alguna otra aplicación como por ejemplo en la
generación de electricidad y potencia calorífica
para las calderas. Esta alternativa tiene la ventaja de
proporcionar, además del gas, fertilizantes productos de
la fermentación y un medio para deshacerse de desechos que
podrían constituir focos de infección,
contaminación del suelo y del agua.

• DEFINICION DE BIOMASA

Biomasa, según el Diccionario de la Real Academia
Española, tiene dos acepciones:

• 1 f. Biol. Materia total de los seres que viven
  en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de
  área o de volumen.

• 2 f. Biol. Materia orgánica originada en
  un proceso biológico, espontáneo o provocado,
  utilizable como fuente de energía (Española,
  2012).

La primera acepción se utiliza habitualmente en
Ecología. La segunda acepción, más
restringida, se refiere a la biomasa 'útil' en
términos energéticos formales: las plantas
transforman la energía radiante del Sol en energía
química a través de la fotosíntesis, y parte
de esa energía química queda almacenada en forma de
materia orgánica; la energía química de la
biomasa puede recuperarse quemándola directamente o
transformándola en combustible (biogás).

• TIPOS DE BIOMASA

Atendiendo a su origen, podemos clasificar la biomasa,
de la cual se puede extraer la energía útil para la
humanidad, en: Residuos Sólidos Agrícolas, Residuos
Sólidos Forestales, Cultivos Energéticos y Residuos
Sólidos Urbanos (Dirección General de Industria,
Energia y Minas, 2002). En la siguiente figura 3 se muestra los
tipos de biomasa.

Figura 3 Tipos de biomasa
(Dirección General de Industria, Energia y Minas,
2002)

• a. Residuos Sólidos Agrícolas:
  Entendemos como Residuos Sólidos Agrícolas
  aquellos que provienen de cultivos leñosos o
  herbáceos. Estos restos se obtienen de los restos de
  los cultivos, y también de las limpiezas que se hacen
  en el campo para evitar las plagas o los
  incendios.

• b. Los Residuos Forestales: Estos residuos
  pueden venir, por un lado, del mantenimiento y la mejora de
  las montañas y masas forestales cuando se hacen podas,
  limpiezas, etc., por otro lado, son los residuos resultantes
  de cortar los troncos de los árboles para hacer
  productos de madera, como muebles, etc.

• c. Los Cultivos Energéticos: Son unas
  plantaciones de crecimiento rápido, destinados
  únicamente a la producción de energía,
  estos cultivos energéticos se clasifican en cuatro
  tipos:

• Cultivos tradicionales: Se trata de cultivos que ha
  utilizado el hombre tradicionalmente y que ya no son
  rentables en su aplicación alimenticia o industrial
  habitual. Entre estos cultivos pueden señalarse los
  cereales, la remolacha, la caña de
  azúcar.

• Cultivos pocos frecuentes: cultivos que pueden
  implantarse en terrenos difíciles de explotar por los
  cultivos destinados a la alimentación. Pueden
  mencionarse las plantaciones de pitas (henequén,
  sábila, maguey), cardos (onopardun).

• Cultivos acuáticos: Un altísimo
  porcentaje de la superficie terrestre esta cubierta de agua,
  donde los rayos solares alimentan a un considerable
  número de plantas acuáticas. Algunas de estas
  plantas, entre los que se pueden señalar las algas,
  Macrocystis, Nerocystis, en aguas saladas, y el jacinto de
  agua, en agua dulce, podían cultivarse con finalidad
  energética.

• Cultivos óptimos para la obtención de
  combustibles líquidos. Hay plantas con propiedades
  similares a las de los derivados del petróleo que ,
  mediante un sencillo tratamiento, pueden proporcionar
  combustibles líquidos. En este sentido pueden
  señalarse la planta africana (elaeis guineensis), la
  tabaiba ( euphorbia lathyris), etc.

• d. Los Residuos Sólidos Urbanos: Se
  refiere a la basura doméstica, denominada RSU, el
  tratamiento y eliminación de estos residuos constituye
  un problema cada día más agobiante debido a su
  incesante crecimiento, a medida que aumente la
  población y el nivel de vida de la misma. Los desechos
  tienen un alto contenido en materia orgánica, y otros
  componentes, como el papel, con un poder calorífico
  similar al de los carbones de baja calidad (Eléctrica,
  Guía del electricista, 2012). Actualmente, con
  tecnologías muy diversas, se extrae la energía
  que nosotros hemos depositado en el contenedor de la calle en
  forma de bolsa de basura, los cuales se seleccionan para
  poderlos reciclar y recuperar todo lo que sea posible. La
  fracción no reciclable recibe diversos tratamientos: a
  menudo, se sitúa en depósitos controlados, se
  incinera o es tratada para obtener "composta". El cual se
  utiliza en el campo agrícola para fertilizar.
  (Cadavid, 1998)

• 4. BIOGAS

La bibliografía especializada hace referencia de
diversa manera la historia y la naturaleza del biogás,
pero todos coinciden en señalar que es el gas
biológico combustible obtenido mediante la digestion
anaeróbica de los compuestos o materia de origen organico,
es decir bacterias que se encargan de descomponer el residual
orgánico, produciendo una fermentación
anaeróbica en ausencia de oxigeno, cuyo principal
componente es el metano (CH4), e identificado por primera vez en
1667, por shiley, como "gas de pantanos". Se afirma que la
primera instalación de biogás se construyó
en 1859 en Bombay, India para el tratamiento de excretas humanas,
y el gas que en ella se generó fue utilizado para el
alumbrado; a partir de ese momento se ha incrementado el
número de biodigestores, y actualmente funcionan en ese
país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la
región que tiene un mayor número de este tipo de
instalaciones, aproximadamente 6,7 millones (Sorrondequí,
2012).

El biogás es un gas compuesto por alrededor de
60% a 66% de gas metano (CH4) y 33% a 40 % de bióxido de
carbono (CO2) y otras cantidades minimas de gases, entre ellos 1
% de ácido sulfhídrico (H2S). Es un poco más
livianos que el aire y posse una temperatura de inflamción
de 700 0C, y su llama alcanza una temperatura de 870 0C. Con un
contenido de metano mucho menor de 50 %, el biogás deja de
ser inflamable. Su poder calorifico promedio es de 5000 Kcal. Un
metro cúbico de biogas permite generar entre 1.3-1.6 KWh,
que equivalen a medio litro de petróleo, aproximadamente
(J. E. Coto, 2007).

• MECANISMOS DE PRODUCCION

Un biodigestor es un compartimiento hermético, en
el cual la materia orgánica se fermenta en ausencia de
oxígeno, generando un gas combustible que posee
aproximadamente 66 % de metano y 33 % de bióxido de
carbono (FAO, 1995).

La digestión anaerobia que se desarrolla en los
biodigestores es un proceso complejo desde el punto de vista
microbiológico y está enmarcado en el ciclo
anaerobio del carbono, que en ausencia de oxígeno
transforma sustancias orgánicas en biomasa y compuestos
inorgánicos en su mayoría volátiles: CO2
(Dióxido de carbono), NH3 (Amoniaco), H2S (Sulfuro de
hidrógeno), N2 (Nitrógeno) y CH4 (Metano) (Soubes,
1994). De forma natural, este proceso ocurre en el tracto
digestivo de animales y debajo de aguas estancadas o pantanos,
pero también puede realizarse en depósitos cerrados
herméticamente, llamados digestores. Estos se utilizan
cuando se requiere captar todos los productos obtenidos de la
descomposición anaerobia (gases y sólidos), ya que
el ambiente oscuro y sin aire favorece el medio óptimo
para el cultivo intensivo de bacterias anaerobias (Salazar,
1993). En esta condición, cuando se acumulan
polímeros naturales orgánicos como
proteínas, carbohidratos, celulosa, etc., se produce un
rápido consumo de oxígeno, de nitrato y de sulfato
por los microorganismos, produciéndose la
metanogénesis; en estas condiciones, el nitrato se
transforma en amonio y el fósforo queda como fosfato.
También se reducen los iones férrico y
mangánico, debido a la ausencia de
oxígeno.

El método básico consiste en alimentar el
digestor con materiales orgánicos y agua,
dejándolos un periodo de semanas o meses, a lo largo de
los cuales, en condiciones ambientales y químicas
favorables, el proceso bioquímico y la acción
bacteriana se desarrollan simultánea y gradualmente,
descomponiendo (Marty, 1984) la materia orgánica hasta
producir grandes burbujas que fuerzan su salida a la superficie
donde se acumula el gas (Verástegui, 1980).

La digestión anaerobia, a partir de
polímeros naturales y en ausencia de compuestos
inorgánicos, se realiza en tres etapas:

• 1. Hidrólisis y fermentación, en
  la que la materia orgánica es descompuesta por la
  acción de un grupo de bacterias hidrolíticas
  anaerobias que hidrolizan las moléculas solubles en
  agua, como grasas, proteínas y carbohidratos, y las
  transforman en monómeros y compuestos simples
  solubles.

• 2. Acetogénesis y
  deshidrogenación, donde los alcoholes, ácidos
  grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo
  ácido acético, CO2 (dióxido de carbono)
  e H(hidrógeno) que son los sustratos de las bacterias
  metanogénicas.

• 3. Metanogénesis en la que se produce
  metano a partir de CO2 e H (hidrógeno), por
  acción de bacterias metanogénicas (Marty,
  1984).

La concentración de hidrógeno juega un
papel fundamental en la regulación del flujo del carbono
en la biodigestión. Los microorganismos que en forma
secuencial intervienen en el proceso son:

• 1. Bacterias hidrolíticas y
  fermentadoras

• 2. Bacterias acetonogénicas obligadas
  reductoras de protones de hidrógeno
  (sintróficas)

• 3. Bacterias sulfato reductoras
  (sintróficas facultativas) consumidoras de
  hidrógeno

• 4. Bacterias homoacetogénicas

• 5. Bacterias metanogénicas

• 6. Bacterias desnitrificantes (Soubes,
  1994).

La principal función de los biodigestores es
convertir la materia orgánica y sub productos
agrícolas en biogás y efluentes. Las condiciones
dentro del biodigestor deben controlarse de tal forma que las
poblaciones de bacterias metanogénicas estén
balanceadas con las acidogénicas y así evitar
descensos excesivos del pH, teniendo en cuenta que cualquier
cambio en las características del biodigestor puede
afectar la población bacterial ocasionando variaciones en
la producción de gas y una eventual deficiencia en el
proceso de purificación de efluentes (Villamil et al.,
2000).

El fertilizante producido o bioabono sólido o
liquido producto del proceso de digestión anaerobia no
posee mal olor ni atrae moscas, a diferencia del estiércol
fresco, y puede aplicarse en las cantidades recomendadas
directamente al campo en forma líquida (McCaskey, 1990) o
sólida; además, puede deshidratarse y almacenarse
para usarlo posteriormente, con pérdidas por
volatilización hasta del 60% de nitrógeno (Day,
1987). Según Botero y Thomas (1987), la composición
del bioabono en promedio tiene 8.5% de materia orgánica,
2.6% de nitrógeno (H), 1.5% de fósforo (P), 1.0% de
potasio (K) y un pH de 7.5. De acuerdo con Mandujano (1981), un
metro cúbico de bioabono producido y aplicado diariamente,
puede fertilizar más de 2 hacres (16187.76 m2 o 1.6187
hectárea) de tierra por año y proporcionar hasta
200 Kg de N ha-1(Nitrógeno por hacre menos uno) de los que
estarán disponibles en el primer año entre 60 y 70
Kg. El bioabono no deja residuos tóxicos en el suelo,
eleva la calidad del mismo y puede considerarse como un buen
fertilizante que puede competir o complementarse con los
fertilizantes químicos.

4.3 GENERACION DE BIOGAS EN GRANJAS Y RASTROS
MUNICIPALES

El correcto manejo de excretas bovinas, porcinas y aves
de corral, se han convertido en uno de los factores más
limitantes en los procesos de producción animal, por
ejemplo en ganaderías de leche, los volúmenes de
producción de materia fecal durante el proceso de
ordeño en establo, ocasiona grandes problemas de
contaminación ambiental. Se calcula que menos del 2% de
las explotaciones tienen sistemas de tratamiento de excretas
(estiércol + orina) (URPA, 2002). Lo anterior nos indica
que existe una gran cantidad de productores que no dan
tratamiento alguno a las excretas y las vierten directamente a
fuentes de agua que generalmente están ubicadas en las
partes bajas de las granjas, causando serios problemas de
contaminación en suelos y acuíferos
subterráneos por coliformes y nitratos (Ramon et al.,
2006), esta contaminación contribuye al calentamiento
global con la emisión de gases como el metano,
monóxido de carbono y dióxido de carbono (Carmona
et al., 2005).

Por su alto contenido de nutrientes y efecto
benéfico sobre la composición del suelo, las
excretas son utilizadas en forma directa para la
fertilización de cultivos, pero en la mayoría de
los casos su aplicación se hace sin previo tratamiento y
depuración, para evitar que las altas concentraciones de
huevos, larvas de parásitos o gérmenes como los
coliformes fecales produzcan enfermedades infecciosas capaces de
causar hasta la muerte en los animales y el hombre (Soria et al.,
2001).

Para la recolección de las excretas de los
animales se utilizan varios tipos de métodos, que permiten
un tratamiento y depuración del estiércol, orina,
agua vertida y alimentos desperdiciados en explotación de
animales. Las más comúnmente reportadas
son:

• Fosas de recolección

• Drenaje por gravedad a una instalación
  exterior por un canal

• Sistemas a chorros de agua

• Raspado mecánico

• Almacenamiento de las excretas al aire
  libre

• Estanques de decantación o
  estercoleros

• Lagunas de tratamiento anaeróbico

• Lagunas de etapas múltiples

• Tratamiento aeróbico

Sin embargo estos tratamientos no son tan eficientes, ya
que la generación de olores desagradables, metano, acido
sulfhídrico y otros gases típicos del proceso de
tratamiento no se eliminan y se vierten al medio
ambiente.

La Organización de las Naciones Unidas para la
Agricultura y la Alimentación (FAO, Food and Agriculture
Organization por sus siglas en Inglés), propone un
prototipo denominado: Biodigestor plástico de flujo
continuo, generador de gas biobano a partir de aguas residuales
servidas, el cual es sencillo y económico. Las principales
características de éste son: polietileno calibre 8
resistente a la luz ultravioleta (LUV), con capacidad para varios
m3 y tiempo aproximado de retención para la
digestión anaerobia de la materia orgánica diluida
de 30 a 40 días en zonas tropicales con temperaturas
promedio de 30oC (FAO, 1995).

La temperatura es un parámetro importante en la
operación del biodigestor anaerobio, para obtener un
crecimiento bacteriano adecuado y aumentar la velocidad de las
reacciones bioquímicas que se dan en el proceso
(Mejía, 1996).

La generación de biogás por medio de
biodigestores se aprovecha en los ranchos, granjas, para producir
electricidad y gas en las cocinas, el cual pueden incluso
comercializarse, de esta forma se cuenta con una fuente alterna
de energía y a la vez dejan de contaminar el
suelo.

En el caso de los rastros municipales, las aguas
generadas en el proceso de sacrificio de los animales son
altamente contaminantes debido a su carga orgánica, con
una demanda bioquímica de oxigeno (DBO50) de 5000 a 10000
mg/l, generando un alto impacto ambiental en los cuerpos
receptores de agua y en suelo (López et al., 2008), sin
embargo Chaux menciona que las concentraciones típicas
encontradas en efluentes de faena de vacunos y porcinos alcanzan
concentraciones de 3000 mg/l para sólidos suspendidos
totales, DB50 de 7000 mg/l y nitrógeno total (NT) de 6000
mg/l (Chaux et al., 2009); gran parte del impacto ambiental y en
salud pública que tienen los residuos sólidos y
líquidos de los rastros no puede ser cuantificado, sin
embargo, una evaluación de riesgos proporciona una
perspectiva de la situación en los rastros municipales. La
normativa mexicana exige un tratamiento de estos desechos antes
de ser destinados a cuerpos de agua, a sistemas de alcantarillado
y para riego de cultivos (NOM-001-SEMARNAT-1996).

Los residuos sólidos y líquidos son
vertidos, casi en la totalidad de los rastros, en el drenaje o
cuerpos de agua. Esta situación representa, además
del evidente daño ambiental, un gran desperdicio de
recursos que pueden ser empleados en diversas actividades y bien
pueden ser considerados como un subproducto de la matanza. Esto
significa que se requiere un cambio de paradigma hacia uno con
visión ambientalista en el que se entienda que los
residuos no son algo de lo que nos tenemos que deshacer
inmediatamente sino que son recursos que podemos y debemos
aprovechar. Al mismo tiempo, disminuimos la contaminación
de la naturaleza y prevenimos riesgos a la salud humana directa o
indirectamente.

La recuperación y separación de los
residuos de manera integral en el rastro es esencial,
primeramente para valorarlos como un subproducto y poderlos
utilizar en otras actividades como la elaboración de
harinas y alimentos, compostaje o, incluso, generación de
energía. Posteriormente, al separar los residuos se
facilita el tratamiento del agua residual que se debe realizar
para cumplir con la normatividad en la materia (NOM-001-ECOL-1996
y NOM-002-ECOL-1996) y con ello también evitar la
contaminación de cuerpos de agua que abastecen a la
población.

Asimismo, la implementación de medidas como las
mencionadas anteriormente no solo provee un ingreso extra por el
manejo integral de los residuos sino que también resulta
mucho más económico tratar el agua antes de
verterla al drenaje y/o a los cuerpos de agua en
comparación con el costo que tendría reparar el
impacto ambiental generado, así como sus consecuencias en
la biodiversidad y la salud humana.

Nuevamente la FAO propone el uso de biodigestores en los
rastros para generar biogás y electricidad, utilizando los
desechos orgánicos de las faenas.

Como ya se menciono los biodigestores son
tecnologías que utilizan los desechos orgánicos
para producir gas y al mismo tiempo solucionan los problemas
ambientales por lo que esta tecnología es viable en los
rastros municipales.

4.4 USO DOMESTICO E INDUSTRIAL DE
BIOGAS.

El biogás puede ser utilizado como cualquier otro
combustible, tanto para la cocción de alimentos, en
sustitución de la leña, el keroseno, el gas
licuado, etc., tambien puede utilizarse para el alumbrado,
mediante lámparas adaptadas. Las mezclas de biogás
con aire, en una relación 1:20, forman un gas detonante
altamente explosivo, lo cual permite que tambien sea empleado
como combustible en motores de combustión interna
adaptados (Cadavid, 1998).

Los limites de sus componentes principales se indican en
la siguiente tabla 1.

Tabla 1. Composición
química del biogás (Cadavid, 1995).

El poder calórico del biogás, con
concentraciones entre 50 y 70 % de metano CH4, es de 4700 a 6500
Kcal/m3.

Un metro cúbico de biogás, con 70 % de
metano CH4, equivale a:

• 0.8 L de gasolina

• 1.3 L de alcohol

• 0.7 L de gasóleo

• 1.5 m3 de gas butano

• 2.7 kg de madera.

Es importante aclarar que este gas puede usarse como
combustible sólo cuando el metano se encuentra en
concentraciones mayores o iguales a 50 % (Chacón,
2007).

Los usos más importantes del biogás para
determinar la demanda energética del usuario
son:

• 1. Cocinas: Se emplea con una presión de
  75 – 90 mm de columna de agua (CA), a razón de
  0.38 – 0.42 m3 por persona – día. Para
  presiones inferiores el per capital debe calcularse a
  razón de 0.5 m3/día.

• 2. Alumbrado: Si se utiliza una lámpara
  de 100 candelas (aproximadamente 60 W), esta consume de 0.11
  a 0.15 m3/h de biogás, requiriendo una presión
  de 70 a 85 mm de CA.

• 3. Calderas: Depende del tamaño del
  quemador, los consumos serán:

• Diámetro del quemador 50 mm: 0.32
  m3/h.

• Diámetro del quemador 100 mm: 0.46
  m3/h.

• Diámetro del quemador 150 mm: 0.63
  m3/h.

• 4. Motores de combustión interna: El
  biogás es un combustible excelente para motores, tanto
  de gasolina como diesel. Sólo se registra una ligera
  disminución de la potencia y el motor trabaja algo
  más caliente que con el combustible líquido. Si
  se dotan de un mezclador de aire-gas adecuado, los motores de
  gasolina pueden trabajar con 100 % de biogás, sin
  necesidad de gasolina, incluso en el arranque. No ocurre lo
  mismo con los motores Diesel, debido a que la temperatura al
  final de la carrera de compresión no es superior a los
  700 grados, y la temperatura de ignición de la mezcla
  aire-biogás es de 814 grados, por lo que se hace
  necesaria la inyección de una pequeña cantidad
  de combustible diesel antes de finalizar la carrera de
  compresión del pistón, para obtener la
  ignición de la mezcla y asegurar el funcionamiento
  normal del motor. En condiciones óptimas se logra
  economizar entre 70 y 85 % del combustible diesel,
  sustituyéndolo por biogás. El consumo en
  motores es 0,45 – 0,54 m3/h por caballo fuerza (HP) de carga,
  o 0,60-0,70 m3/h por KW de carga, con una presión de
  25 a 100 mm de CA (Pareja, 2007).

Teóricamente se puede obtener biogás de
cualquier material orgánico. Este material
orgánico, o biomasa, debe de contar con 5-10 % de partes
sólidas para constituir un material apropiado, como cieno
de fermentación. Una de las materias orgánicas
más utilizadas es el estiércol fresco de ganado
vacuno, que contiene alrededor de 16 % de material sólido
y 84 % de agua, y que se recomienda mezclar en proporción
1:1 con agua. El cieno de fermentación para introducir en
una planta de biogás tiene entonces 8 % de material
sólido y 92 % de agua. Algunos índices de consumo a
partir de las biomasas más utilizadas y disponibles para
la producción de biogás se exponen en la tabla
2

Tabla 2 Índices para determinar la
producción de biogás a partir del peso y
características de la biomasa (Chacón,
2007).

• 5. BIODIGESTOR

La instalación destinada a la producción y
captación del biogás recibe el nombre de
biodigestores o planta de biogás. Existen múltiples
diseños y formas, en función de su tamaño,
materia prima (residual) que se emplea, materiales de
construcción con que se construye. Su variedad es tal que
los modelos existentes se adaptan prácticamente a todas
las necesidades y variantes que se deseen, en cuanto a volumen,
materiales empleados y residuales orgánicos que se deben
tratar.

5.1 TIPOS DE BIODIGESTORES

En los biodigestores se llevaba a cabo el proceso de
fermentación, similar a la digestión producida en
nuestro aparato digestivo al ingerir los alimentos, que son
descompuestos por la acción de las enzimas, mientras que
la captación del biogás se produce mediante una
campana o superficie abovedada o cilíndrica (en la
mayoría de los casos), desde el cual se extrae el gas a
través de una conducción por tubería o
manguera.

Las plantas de biogás sencillas pueden ser
clasificadas, por su diseño, en tres tipos:

• Planta de biogás de campana flotante (tipo
  hindú)

• Planta de biogás de bolsa elástica
  (tipo balón)

• Planta de biogás de cúpula fija (tipo
  chino)

A continuación se muestran en la figura 4, los
tres tipos de plantas de biogás:

Planta de biogás de campana
flotante (tipo hindú)

Planta de biogás de bolsa
elástica (tipo balón)

Planta de biogás de cúpula
fija (tipo chino)

Figura 4. Tres tipos de plantas de
biogás (Chacón, 2007).

Según la forma en que se realiza el proceso de
carga o introducción de la biomasa a la planta, se
clasifican en dos tipos fundamentales:

• Plantas de flujo continuo

• Plantas de flujos discontinuos o batch (entrada de
  la biomasa de manera intermitente).

Las primeras son cargadas y descargadas parcialmente
todos los días, de forma periódica o permanente
(para la obtención de volúmenes considerables de
gas), mientras que las segundas son cargadas de una vez y
descargadas total o parcialmente después de cierto tiempo
de utilización de la biomasa introducida para fermentar
(para pequeñas producciones de biogás).

La gran ventaja de las primeras es que las bacterias
metanogénicas reciben un suministro estable del material
orgánico, por lo que producen biogás de manera
más uniforme.