relacion c/n = 30

1
2
DEDICATORIA
3
Dedicatorias: Hugo.
“A Dios por permitirme llegar a este
momento tan especial en mi vida. Por los
triunfos y los momentos difíciles y por estar
conmigo en cada paso que doy, por
fortalecer mi corazón e iluminar mi mente y
por haber puesto en mi camino a aquellas
personas que han sido mi soporte y
compañía durante toda mi vida”
“A mi Padre Jesús
por haberme
educado y soportar mis errores, A mi
Madre María
quien le debo todo en
la vida, le agradezco el cariño, la
comprensión, la paciencia y el apoyo
que me brindó para culminar mi
carrera profesional.”
“A mi abuelita Flora que aunque no está
conmigo físicamente, siempre a estado y
estará en mi mente y en mi corazón, es a
quien le debo todo en la vida, le agradezco
el cariño, los consejos, el amor y la dulzura y
que
siempre
tuvo
conmigo,
nunca
te
olvidare….”
“A toda mis
familiares: a mis tíos,
primos, hermanos y demás personas
por ser las personas que siempre
estuvieron
ahí
en
el
momento
indicado para darme si quiera unas
palabras
de
aliento
para
seguir
adelante, les debo todo, gracias”
4
Dedicatorias: Mariano
“A Dios por habernos dado la vida, por ser
mi refugio en los momentos difíciles y ser la
fuerza que nos impulsa a seguir adelante en
cada momento de nuestras vidas”
“A mis padres Manuela y Porfirio, que
con su dedicación y esfuerzo me
incentivan y apoyan en toda meta
que me propongo y son la razón de
ser mi existencia.”
“A mis hermanos, que con su dedicación y
esfuerzo me incentivan y apoyan en toda
meta que me propongo y son la razón de ser
mi existencia.”
5
AGRADECIMIENTO
6
Agradecimiento
Al Alcalde y a las autoridades
de la
Municipalidad de Motupe por la aceptación
en brindarnos uno de sus ambientes que
tiene a su cargo (camal de la Municipalidad)
para
poder
realiza
este
trabajo
de
Investigación.
Al Ing. MSc. José Inocente Mego
Penachí por su apoyo como asesor,
ya
que
con
sus
consejos
y
recomendaciones pudimos terminar
esta Tesis, le expresamos nuestro
inmenso y sincero agradecimiento.
Y
a nuestro compañero Freddy Rey que
gracias a su labor logístico y apoyo moral
se pudo concluir
el presente proyecto de
tesis, te estimamos mucho Chunguita.
LOS AUTORES.
7
ÍNDICE
8
INDICE
Dedicatorias
Agradecimientos
Índice
Resumen
Sumary
CAPITULO I:
16
1. MARCO TEORICO
16
1.1 ANTECEDENTES
16
1.1.1 Consideraciones generales para el Diseño de un Sistema
de Biodigestión.
19
1.2 HISTORIA
22
1.3 BIOLOGIA DE LA DIGESTION
25
1.3.1 Biosucesión en el Digestor.
25
1.3.2 Ph Y el Digestor bien Amortiguado (Buffered)
27
9
1.3.3 Temperatura
30
1.4 ESTEQUIOMETRIA DE LA BIODIGESTION
35
1.5 MATERIA PRIMA
36
1.5.1 Propiedades Digestibles de la Materia Orgánica.
36
1.5.2 Cantidad de Estiercol que se Puede Recolectar.
38
1.5.2.1 EL Tamaño (edad) del Animal.
38
1.5.2.2 El Grado de Confinamiento.
39
1.5.2.3 El Tipo de Estiercol que es recolectado.
40
1.6 PRODUCCION DE ESTIERCOL Y UNIDAD DE ANIMALES DE CRIA
40
1.7 PROPORCION CARBONO A NITROGENO(C/N)
42
1.8 NUTRIENTES
46
1.9 PROBLEMAS DE TOXICIDAD
47
1.10 RITMO DE CARGA
49
1.11 TIEMPO DE RETENCION
51
1.12 BIDIGESTORES
52
10
1.12.1 Datos de Diseño para un Biodigestor de Polietileno.
53
1.13 DISEÑO DE BOX–BEHNKEN
55
CAPITULO II
58
2. MATERIALES Y METODOS.
58
2.1
UNIVERSO
58
2.2
MUESTRA
58
2.3
CONSTRUCCION DEL BIODIGESTOR
59
2.4
OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR
60
CAPITULO III
62
3. RESULTADOS.
62
CAPITULO IV
67
4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
67
11
CAPITULO V
71
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
71
5.1
Conclusiones.
71
5.2
Recomendaciones.
73
CAPITULO VI
74
6. ANEXO
74
6.1 Cálculos Realizados para la Construcción del Biodigestor.
74
6.2 Etapas de Construcción y Operación del Biodigestor.
76
6.3 Cálculos de Relación C/N empleados en los Ensayos.
87
6.4 Tiempo de Llenado del TK de Almacenamiento de 709 Lt.
90
6.5 Modelo de Regresión de Polymath
92
6.6 Optimización de la Producción de Biogás.
94
BIBLIOGRAFIA
96
12
RESUMEN
En este trabajo de investigación se determinó la velocidad de producción
de biogás en un biodigestor tubular de polietileno utilizando residuos orgánicos del
camal de Motupe. Se ha orientado a buscar nuevas alternativas de obtención de
energías como es la producción de biogás.
Los residuos orgánicos estuvieron constituidos principalmente por excretas de
ganado vacuno y porcino sacrificado en el camal de Motupe.
Para tal efecto se construyo un biodigestor tubular con polietileno calibre 6 de
8.59 m3 con un diámetro de 1.25 m
y una longitud de 7 m de largo, con
facilidades para el ingreso de la materia prima, salida del material de desecho y
salida del gas, este último regulado con válvula de seguridad mantenida de 5 cm
de agua. El gas se acumuló en depósito de polietileno del mismo material y de
0.709 m3 de capacidad.
El diseño del experimento fue una simplificación del diseño factorial para tres
factores independientes (pH, relación C/N y % de sólidos sedimentables)
conocido como Diseño Box – Behnken.
Para medir la velocidad de producción, cada combinación del diseño experimental
se opero durante 7 días, de los cuales cuatro días se considero para medición de
la velocidad de producción expresada en cm 3/min, medidos a temperatura y
presión ambiental.
De los resultados obtenidos la mayor producción se obtuvo con la combinación
(pH 8.0, Relación C/N de 30 y 5% Sólidos Sedimentables) y la menor producción
se obtuvo con la combinación (pH 6.0, Relación C/N de 20 y 2% Sólidos
Sedimentables)
Se concluye que los resultados coinciden con los previstos por la teoría de la
biodigestión.
Palabras claves: biodigestor tubular, camal, polietileno, biogás, fermentación,
13
SUMARY
In this work of investigation there decided the speed of production of biogas in a
tubular biodigestor of polyethylene using organic residues of Motupe's halter. One has
orientated to look for new alternatives of obtaining of energies since it is the production of
biogas.
The organic residues were constituted principally for you excrete of cattle and pig
sacrificed in Motupe's halter.
For such an effect I construct a tubular biodigestor, with polyethylene calibrate 6 of
8.59 m3 with a diameter of 1.50 m and a length of 7 m of length, with facilities for the
revenue of the raw material, gone out of the waste material and exit of the gas, the latter
regulated with valve of safety supported of 5 water cm. The gas accumulated in a deposit
of polyethylene of 0.709 m3 of capacity.
The dessin of experiment is a simplification a dessin factorial pour trois facteurs
indépendants (un pH, relation C/N and
% de sedimentables solides) connu comme
Dessin Box - Behnken.
To measure the speed of production, every combination of the experimental
design I operate for 7 days, of which four days I consider for measurement of the speed of
production expressed in cm3/min, measured to temperature and environmental pressure.
Of the obtained results the major production was obtained by the combination (pH
8.0, Relation C/N of 30 and 5 Solid % Sedimentables) and the minor production was
obtained by the combination (pH 6.0, Relation C/N of 20 and 2 Solid % Sedimentables)
one concludes that the results coincide with the foreseen ones for the theory of
the biodigestión.
Key words: biodigestor tubular, halter, polyethylene, biogas, fermentation
14
INTRODUCCION
La digestión anaeróbica o biodigestión es considerada una herramienta efectiva en el
manejo de desechos orgánicos y la producción de metano (CH4) como una fuente de
energía renovable.
La digestión anaeróbica, biodigestión o metanación se refiere al uso de procesos
biológicos en un medio anaeróbico para romper cadenas de moléculas complejas en
sustancias más simples (Lettinga y Van Haandel, 1993). La aplicación de biodigestión se
inició antes del siglo XX cuando el biogás era quemado para dar iluminación en Inglaterra
(Brown, 1987). En los años 1930, se mantuvo un interés creciente en la aplicación de
digestión anaeróbica, especialmente en zonas rurales, donde los productos de la
digestión (biogás y efluente) pueden convertirse en productos aprovechables por los
agricultores. El biogás es una fuente renovable de energía y el efluente (material digerido)
tiene una alta concentración de nutrimentos, bajo contenido de patógenos y se encuentra
prácticamente libre de semillas viables de malezas (Brown, 1987; Marchaim, 1992).
La digestión anaeróbica puede considerarse como la forma más sencilla y segura
de dar tratamiento a excrementos humanos y animales en zonas rurales (Brown, 1987).
Pero, su aplicación a gran escala se ha visto limitada en parte por razones culturales que
desaprueban el uso de excrementos humanos en la producción de biogás y los altos
costos de instalación de un biodigestor convencional (Fulford, 1993). En esta
investigación se evalúa la instalación de una planta de biogás o biodigestor de polietileno
como una alternativa para la producción de biogás a bajo costo; una tecnología que
ofrece beneficios directos y funcionales.
Se considera que dentro de los beneficios directos el más importante es el
reemplazo de la combustión de combustibles fósiles gracias a la producción de CH4 y
disminución en el uso de fertilizantes sintéticos por el contenido de nutrientes del material
digerido. Otro beneficio incluye el potencial del uso de biogás para reducir la emisión de
gases causantes del efecto invernadero (calentamiento global) emitidos durante la
combustión de combustibles fósiles.
15
CAPITULO I
1. MARCO TEORICO
1.1. ANTECEDENTES
Cuando una materia orgánica se degrada esta produce subproductos
útiles. El tipo de subproducto depende de las condiciones bajo las cuales la
degradación se llevo a cabo. La degradación puede ser aeróbica (con oxígeno) o
anaeróbica (sin oxigeno). Cualquier tipo de materia orgánica puede degradarse de
cualquier forma, pero los productos finales serán muy diferentes (Figura .1).
16
Figura 1. Productos finales de la degradación de desechos orgánicos
F
Fuente: Los autores.
Es posible imitar y estimular el proceso anaeróbico natural colocando los
desechos orgánicos
(excremento y materia vegetal) dentro
de recipientes
herméticos, aislados llamados digestores. Existen dos tipos de digestores:
BATCH: son llenados de una sola vez, son sellados y vaciados cuando la
materia prima deja de producir gas; y
CONTINUOS: se alimenta de a pocos, en forma regular, de modo que el gas y
el fertilizador son producidos continuamente.
Los digestores se alimentan con una mezcla de agua y desechos
orgánicos, conocido como “lodo”. Dentro del digestor, la carga de cada día de
“lodo” fresco fluye hacia la salida desplazando la carga del día anterior
encontrando bacterias y otros microbios que están listos para realizar la
digestión.
Cada carga se mueve en la longitud del digestor a un punto donde las
bacterias metanogénicas están activas. En este punto las grandes burbujas se
17
van desprendiendo a la superficie donde se acumula el gas. El gas es muy
similar al gas natural y puede ser combustionado directamente para calor o luz,
almacenado para uso futuro, o comprimido para motores de combustión
interna.
La digestión disminuye de velocidad hacia la salida del digestor y el residuo
comienza a estratificarse en distintas capas (Figura 2) :
•
Tierra y Materiales Inorgánico; en el fondo,
•
Lodo;
los sólidos agotados del lodo original se
reducen en 40% del
volumen que ocupaba en estado crudo. Este lodo líquido o seco es un
excelente fertilizante para cultivos y crianza de peces en estanque.
•
Sobrenadante; los líquidos agotados del lodo original. Tiene un mayor
valor fertilizante que el lodo, debido a que contiene sólidos disueltos. Se
conoce comercialmente como BIOL, es ampliamente usado por su alto
contenido de fitohormonas.
•
Espuma; una mezcla de material fibroso grueso presente en la materia
prima, gas y líquido. La acumulación y remoción de espuma es un gran
problema. A cierto nivel sirve como aislante (mantiene
anaeróbicas) Pero en exceso puede detener la digestión.
18
condiciones
Figura 2. Capas de sub-productos en el digestor
Fuente: Los autores.
1.1.1 Consideraciones Generales para el Diseño de un Sistema de
Biodigestión.
Cuando se considera el diseño de un biodigestor a escala de una granja, hay
dos tipos de preguntas que responder:
(1) ¿Con los desechos orgánicos y materiales que se cuenta, que tipo de
digestor deberá construirse y de que tamaño? y
(2) ¿Cuál es la mejor manera de utilizar el gas y los otros subproductos
producidos para satisfacer las necesidades de energía de la comunidad
presente en la granja?
Deberá tenerse una respuesta segura de si el lodo deberá usarse para
fertilizar cultivos, estanques de pescados o algas, y si el gas deberá ser usado
directamente para producir calor, luz, o almacenado, o regresado al digestor para
mantenerlo caliente, etc. Ver Figura 3.
19
Figura 3. Consideraciones relacionadas a la operación de un biodigestor
Fuente: Los autores.
La pregunta principal corresponde al propio digestor, el cual es el corazón
del sistema de energía global. La segunda pregunta es sinérgica; se puede
escoger que productos serán generados por la digestión y como serán usados o
alimentados de regreso al digestor, creando una ciclo casi interminable si se
desea (Figura 4).
Figura 4. Ciclo nutriente de una operación completa de un digestor
Fuente: Los autores.
20
El modelo de la figura 4 es idealizado de un sistema de piscicultura oriental y otras
ideas, ambas nuevas y antiguas. Se puede desarrollar exclusivamente una sola línea de
producción (tener un digestor para producir solo lodo y alimentarlo a un estanque de
algas) o se puede desarrollar la sinergia potencial (muchos sistemas posibles trabajan en
conjunto como un sistema integrado total, Figura 5).
Figura 5. Sistemas integrado de un biodigestor.
Fuente: Los autores.
Los agricultores o granjas pequeñas pueden tomar una sola etapa para ser
autosuficiente ecológicamente produciendo su combustible y fertilizante necesario
usando un digestor para convertir desechos propios del lugar.
La ventaja de producir energía propia con materiales de desecho en una
granja o comunidad libera de la dependencia del uso de combustibles
convencionales que provienen del petróleo, que cada tienen un precio más
elevado.
21
1.2 HISTORIA
En la naturaleza, la degradación anaeróbica es probablemente uno de los
procesos más antiguos de la tierra para la descomposición de desechos. El
material orgánico cubierto por una piscina de agua caliente primero se tornará
acida y tendrá un olor fétido, luego lentamente después de cerca de seis meses
se volverá alcalino. Las bacterias metanogénicas, siempre presentes, asumirán el
control y descompondrán la materia orgánica, y las burbujas de gas se elevaran a
la superficie.
La degradación anaeróbica es uno de los pocos procesos naturales que no
se ha explotado completamente hasta épocas recientes. Pasteur discutió una vez
las posibilidades de la producción del metano del abono del corral. Y (según un
informe publicado de China, 26 de abril de 1960) los chinos han utilizado “lagunas
cubiertas” para suministrar el combustible del metano a las comunas y a las
fábricas por décadas. Pero la primera tentativa de construir un digestor para
producir el gas de metano de los desechos orgánicos (estiércol de la vaca)
aparece haber estado en Bombay, la India en 1900. Por este tiempo, plantas de
aguas residuales comenzaron a digerir el lodo de aguas residuales para mejorar
su calidad. Esto dio inicio a una gran cantidad de experimentos en laboratorio y a
pequeña escala durante los años 20 y los años 30.
Durante la Segunda Guerra Mundial, la escasez de combustible en
Alemania llevó al desarrollo de las plantas de metano en zonas rurales, en donde
el gas fue utilizado para accionar los tractores. La idea se amplio en Europa
occidental, hasta que los combustibles fósiles estuvieron de nuevo disponibles
22
(aunque, hoy, muchos granjeros en Francia y Alemania continúan utilizando los
digestores caseros para producir su propio gas de combustible de metano).
Actualmente el centro de la investigación de digestores orgánicos/bio-gas
está en la India. Las intenciones de la India has sido elevar el estándar de vida de
las zonas rurales. Las vacas en la India producen cerca de 800 millones de
toneladas de excremento por año; más de la mitad de este es combustionado y
por lo tanto perdido como su calidad de fertilizante.
El problema de cómo obtener un combustible y fertilizante barato a nivel
local condujo a varios estudios por el Instituto de Investigación Agrícola en los
años 1940 para determinar la química básica de la degradación anaeróbica. En
los años 1950, modelos de digestores simples se desarrollaron para ser usados
por granjeros. Estos modelos iniciales establecieron claramente que las plantas
de biogás podían:
1. Proporcionar luz y calor en zonas rurales, eliminando la necesidad de
importar combustible, o quemar el excremento de vaca, o desforestar la
tierra;
2. Proporcionar una fertilizante rico de los subproductos del digestor; y
3. Mejorar las condiciones de salud por tener los excrementos de las vacas
en recipientes de digestión herméticamente cerrados, y por lo tanto
reduciendo las enfermedades por exposición a las excrementos de las
vacas.
Diseños más ambiciosos han sido probados por el Instituto de Acción e
Investigación a finales del los años 1950. Los éxitos condujeron a iniciar la
Estación de Investigación de Gas Gobar en Ajitmal donde, con la experiencia
23
práctica de Khady de la Comisión de Industrias de Comunidades, dos importantes
libros fueron publicados sobre el diseño de plantas de biogás para granjas y
comunidades pequeñas en la India.
Hasta la fecha en la India además de modelos de digestores para
aplicación en áreas rurales de tamaño de granjas individuales o colectivas se ha
desarrollado modelos de tamaño más grande para ser aplicados a nivel de
comunidades o poblaciones más grandes. Los modelos que en la actualidad se
utilizan en la India son:

Modelo tipo letrina sanitaria

Biodigestor de domo flotante (hindú)

Biodigestor de domo fijo (chino)

Biodigestor de estructura flexible

Biodigestor de tercera generación
En América, donde el problema es la disposición de desechos, mas que el
uso de los desechos, los digestores orgánicos se han limitado a plantas de
tratamiento de aguas residuales. En algunos casos los lodos han sido reciclados a
los terrenos o vendidos como fertilizantes, y el metano gas es utilizado en
generadores de potencia y bombas en las plantas de tratamiento. La planta de
tratamiento de aguas residuales Hyperion en Los Ángeles genera suficiente
metano de solo su tratamiento primario para mover sus motores diesel de 242000 hp. Sin embargo, tanto el gas como los lodos son considerados todavía
problemas.
24
La mayoría de la información sobre digestión y operaciones de digestores a
pequeña escala proviene de la experiencia en la India, Europa Oriental y
Sudáfrica y revistas cientificas calificadas como: Compost Science, Water Sewage
Work, Soils and Fertilizer, Waste Engineering, Sewage and Industrial Wastes y
recientes publicaciones de la Agencia de Protección del Medio Ambiente de
Estados Unidos (EPA)
y Solid Waste Conferences. Una excelente fuente para
aprender es el libro: Manual of Instruction for Sewage Plant Operators, editado por
el Departamento de Salud del Estado de New York y disponible del Health
Education Service, P.O. Box 7283, Albany, New York 12224.
1.3 BIOLOGIA DE LA DIGESTION
1.3.1 Biosucesión en el Digestor.
Quizás lo más importante que se debe recordar es que la digestión es un
proceso biológico.
Las bacterias anaeróbicas responsables de la digestión no pueden
sobrevivir aun con pequeñas trazas de oxigeno. De modo que, debido al oxigeno
presente en la mezcla de estiércol alimentado al digestor, existe un periodo largo
después que se carga el digestor para que la digestión se lleve a cabo. Durante
este periodo “aeróbico” inicial, las trazas de oxigeno son utilizadas por bacterias
que les gusta el oxigeno, y entonces se libera grandes cantidades de dióxido de
carbono.
Cuando el oxigeno desaparece, el proceso de digestión comienza. Ese
proceso comprende una serie de reacción realizado por varios tipos de bacterias
anaeróbicas que se alimentan con la materia orgánica cruda. Conforme estas
25
diferentes tipos de bacterias se activan, los subproductos del primer tipo de
bacterias proporcionan alimento al otro tipo de bacteria (Figura 6). En la primera
etapa de digestión, el material orgánico el cual es digerible (grasas, proteínas y
mayoría de almidones) son degradados por bacterias que producen acido en
compuestos más simples. Las bacterias acidas son capaces de una reproducción
rápida y no son sensibles a cambios en su medio ambiente. Su rol es excretar
enzimas, licuar la materia prima y convertir los materiales complejos en
substancias más simples (especialmente ácidos volátiles, los cuales son ácidos
orgánicos de bajo peso molecular). El acido volátil más importante es el acido
acético, un subproducto muy común de toda digestión de grasas, almidón y
proteínas. Cerca del 70% del metano producido durante la fermentación
provienen del acido acético.
FIGURA 6. La interrupción biológica de desechos en el digestor.
Fuente: Los autores.
26
Una vez que las materias primas han pasado al estado liquido por las
bacterias acidogénicas, las bacterias que producen metano convierten los ácidos
volátiles en metano gaseoso. A diferencia de las bacterias acidas, las bacterias
metanogénicas se reproducen muy lentamente y son muy sensibles al cambio en
las condiciones de su medioambiente.
Por lo tanto, biológicamente, el éxito de la digestión depende de lograr y (para
digestores continuos) mantener un balance entre aquellas bacterias las cuales producen
ácidos orgánicos y aquellas bacterias las cuales producen metano gas de los ácidos
orgánicos. Este balance es logrado por una alimentación regulada con suficiente líquido y
por un adecuado pH, temperatura y calidad de materias primas en el digestor.
1.3.2 Ph y el Digestor bien Amortiguado (buffered)
El pH tiene un efecto profundo sobre la actividad biológica, y el mantenimiento de
un pH estable es esencial para toda tipo de vida. La mayoría de procesos de vida se
realizan en el rango de pH 5 a 9. Los requerimiento de pH de un digestor son mas
estrictos, pH 7.5 – 8.5 (Figura 7).
Figura 7. Escala de pH
Fuente: Methane Digesters For Fuel Gas and Fertilizer by L. Jhom Fry
27
Durante la fase ácida inicial de digestión, el cual puede tardar cerca de dos
semanas, el pH puede disminuir a 6 o menos, mientras que una gran cantidad de
CO2 es desprendida. A continuación sigue por cerca de tres meses
una
disminución lenta de la acidez durante la cual los ácidos volátiles y compuestos
de nitrógeno son digeridos, y otros compuestos de nitrógeno son formados (este
amoniaco se vuelve importante cuando consideramos el valor fertilizante del lodo
residual). Conforme la digestión, procede, menos CO2 y más metano es producido
y el pH aumenta lentamente a cerca de 7.0. Según la mezcla se vuelve menos
acida, se realiza la fermentación a metano. Por lo tanto el pH aumenta por sobre
el punto neutro a un valor entre 7.5 a 8.5. Después de este punto, la mezcla se
convierte en bien amortiguado; es decir aun cuando grandes cantidades de acido
o álcali son adicionados, la mezcla se ajustará para autoestabilizarse a pH 7.5 a
8.5.
Una vez que la mezcla está bien amortiguada, es posible adicionar
pequeñas cantidades de materia prima en forma periódica y mantener constante
el abastecimiento de gas y lodo (digestores de carga continua). Si no se necesita
alimentar a un digestor en forma regular (por ejemplo un digestor batch), las
enzimas comienzan a acumularse, los sólidos orgánicos se agotan y la
producción de metano cesa.
Después que la digestión se ha estabilizado, el pH deberá permanecer en
el rango de 8.0 a 8.5. El pH ideal del efluente en las plantas de tratamiento de
aguas residuales es 7 a 7.5, y estos valores son generalmente dados como el
mejor rango de pH para digestores en forma general. Sin embargo, datos
experimentales aseguran que, una mezcla ligeramente más alcalina es mejor para
digestores que usan como materia prima desechos animales o vegetales.
28
Si el pH en el digestor de carga continua se vuelve demasiado acido (Tabla
1), se puede llevarlo a su estado normal por adición de efluente fresco a la
entrada, o por reducción de la cantidad de materia prima alimentado al digestor, o
como un último recurso, por la adición de amoniaco o cal. La adición de
sustancias tampones o buffer para elevar el pH sin cambiar el ritmo de carga del
digestor tiene la ventaja de que el pH puede rectificarse más rápidamente. El
carbonato de sodio, aunque es más caro, puede prevenir la precipitación de
carbonato
de
calcio.
Debido
a
que
los
requerimientos de
sustancias
tamponadoras varían con la naturaleza de los desperdicios a procesar, el sistema
de operaciones y el tipo de proceso, se han desarrollado guías para calcular los
requerimientos de sustancias buffer (ver por ejemplo Pohland y Suidon 1978).
Si el efluente se vuelve muy alcalino, se producirá una gran cantidad de
CO2, el cual tendrá el efecto de hacer la mezcla más ácida, y por lo tanto
realizándose una auto corrección. Esperar es la mejor “cura” en ambos casos.
Nunca adicionar acido a un digestor. Esto incrementara solo la producción de
acido sulfhídrico.
29
Tabla 1. Problemas con el pH
CONDICIONES
POSIBLES RAZONES
REMEDIO
1)Adición de materia Reducir velocidad de
prima muy rápida
alimentación
materia
prima; amoniaco
En digestor continuo se
puede reciclar algo de
efluente fresco a la
alimentación.
2) Fluctuación amplia Estabilizar temperatura
de Temperatura
Demasiado
ácido
(pH 6 o menos)
3)Sustancias tóxicas
4) Se está formando Remover espuma
espuma
1) Materia prima inicial Paciencia, nunca poner
demasiada alcalina
ácido en el digestor (se
producirá mas CO2,solo
se vuelve acido): si
agrega acido = H2S
Demasiado alcalino
(pH 9 o más)
Fuente: Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith Complete Instructions For Two
Working Models by L. John Fry
1.3.3 Temperatura.
Para que la digestión por bacterias trabaje a una buena eficiencia, es mejor
una temperatura de 95ºF. La producción de gas puede proceder en dos rangos de
temperatura: 85-105ºF (29-40ºC) y 120-140ºF (49-60ºC). Diferentes sistemas de
bacterias productoras de ácido y de metano tienen preferencia a estos diferentes
rangos. Aquellas activas en el rango superior son llamadas bacterias termofilicas
(Figura 8). Algunas materias primas, como las algas, requieren este rango
superior para la digestión. Pero los digestores son comúnmente no operan en
este rango superior debido a:
30
1. La mayoría de materiales digieren bien al rango más bajo
2. Las bacterias termofílicas son muy sensibles a cualquier cambio en el
digestor
3. El lodo que ellos producen es un fertilizante de calidad muy pobre, y
4. Es difícil mantener tal temperatura alta, especialmente en climas
templados.
Figura 8. Tiempo de digestión y temperatura
Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith
Las bacterias que producen metano en el “rango normal” 90-95ºF (32-35ºC)
son más estables y producen un lodo de calidad más alta. Además no es difícil
mantener una temperatura en el digestor de 95ºF (35ºC).
La misma cantidad de masa de estiércol digerirá dos veces más rápido a
35ºC (95ºF) que si se digiere a 15ºC (60ºF) y producirá cerca de 13 veces más
gas en la misma cantidad de tiempo (Figura 9). En la Figura 9 se puede ver como
la cantidad de gas producido mejora con temperatura de 27-38ºC (80-100ºF),
donde la producción es óptima. En la Figura 10, puede verse como una diferente
31
cantidad de gas es producida cuando el digestor se mantiene a 15ºC (60ºF) que
cuando se mantiene a 95ºF (35ºC).
Figura 9. Producción de gas y temperatura
Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith
Figura 10. Comparación de Velocidades de Producción de Gas a 60ºF y 95ºF
(Medido desde el tiempo de adición de nuevo carga hasta que se amortigua
el digestor)
32
La velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas se incrementa
normalmente cuando se eleva la temperatura. Para los digestores de biogás, esto
es cierto dentro del rango de temperatura tolerado por los diferentes
microorganismos, tales como las bacterias acetogénicas (Schimid y Lipper 1969).
Una temperatura muy alta puede causar una declinación en el ritmo metabólico
del proceso, debido a la degradación de las enzimas que son esenciales para la
vida celular. Los microorganismos tienen un crecimiento y ritmo metabólico
óptimos dentro de un rango de temperatura muy bien definido, y que es específico
para cada especie bacteriana. Particularmente, el límite superior depende de la
termoestabilidad de las moléculas de proteína sintetizadas por cada tipo particular
de organismo.
La variación de temperatura puede ser más importante que un valor fijo de
temperatura como factor que influye en la estabilidad del proceso (Dague 1968).
Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de temperatura
que los otros microorganismos del digestor. Esto es debido a que la velocidad de
crecimiento de los otros grupos bacterianos es mayor que la de las
metanobacterias. Todos los microorganismos presentes en el biodigestor pueden
resistir cambios variables de temperatura hasta un lapso de dos horas
aproximadamente, y pueden retornar rápidamente a los ritmos normales de
producción de gas cuando la temperatura se restablece. Sin embargo, cuando la
temperatura cae numerosas veces o por un tiempo prolongado, esto puede
conducir a un desbalance en la proporción de los microorganismos y en última
instancia a problemas de bajos pH (Gunnerson y Stuckey 1986).
Se han detectado dos regiones de temperatura para la digestión de las
excretas (ver Gunnerson y Stuckey 1986). El primer rango es apropiado para la
vida de las bacterias mesofílicas (de 20 a 45oC) y el segundo rango es
33
característico de bacterias termofílicas (de 35 a 55 oC). Una ventaja de una
digestión
termofílica
es
que
el
ritmo
de
producción
de
metano
es
aproximadamente el doble de una digestión mesofílica. Por consiguiente, los
biodigestores termofílicos pueden tener la mitad del volumen de uno mesofílico, y
aún mantener así la misma eficiencia en el proceso. Se han llevado a cabo
muchos estudios de procesos termofílicos en países de la zona templada del
mundo (Gunnerson y Stuckey 1986). Sin embargo, con excretas y residuos
fecales que están a temperatura ambiente, se necesita considerable energía para
elevar la temperatura de este material hasta 55 oC. Por lo tanto, los estudios sobre
la digestión termofílica pueden ser de menor interés en países tropicales,
especialmente en áreas rurales, donde la disponibilidad de energía es escasa o
un factor limitante para cualquier actividad.
La digestión sicrofílica se define como una digestión a temperaturas
realmente bajas (de 10 a 25oC), y ha sido estudiada considerablemente por
algunos investigadores (Cullimore et al. 1985; Paris et al. 1988; Welinger et al.
1988). A este respecto, Marchaim (1992) ha referido algunas condiciones
restrictivas que pueden limitar el éxito operativo en este tipo de proceso
biodigestivo, tales como el uso de inóculo mesofílico, un tiempo de retención más
largo, y la atención especial que se debe dar a mantener baja la concentración
acídica.
34
1.4 ESTEQUIOMETRIA DE LA BIODIGESTION.
En el proceso de digestión anaerobia, la materia orgánica se degrada para
producir metano, mediante un conjunto de interacciones complejas entre distintos
grupos de bacterias. Hay tres fases básicas en este proceso, y hay tres grupos de
bacterias esencialmente diferentes que intervienen en cada una de estas fases. El
primer grupo consiste en una mezcla de bacterias llamadas a veces formadoras
de ácidos, que hidrolizan las moléculas complejas de materia orgánica para
originar ácidos grasos de cadena corta y alcohol. El segundo grupo es el de las
bacterias acetogénicas, que producen acetato e hidrógeno.
El tercer grupo de microorganismos se suele denominar metanogénico, y
convierte los productos ya degradados a metano y dióxido de carbono (Youngfu et
al. 1989). La operación estable de los biodigestores requiere que todos estos
grupos bacterianos estén en un equilibrio dinámico armonioso. Cualquier cambio
en las condiciones ambientales puede influir en este equilibrio, y resultar en la
formación desproporcionada de compuestos intermedios que pueden inhibir todo
el proceso (Marchain 1982).
Las ecuaciones estequiométricas de Buswell son aplicables a la
fermentación a metano de todos los sustratos, según Yongfu et al. (1989):
CnHaOb = (n- a/4 -b/2) H2O + (n/2 - a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 – b/4) CH4
Donde n, a y b son la cantidad de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno
contenidos en las moléculas de materia orgánica degradadas. Como ejemplo,
para la molécula de almidón (C6H10O5), la fórmula es como sigue:
C6H10O5 = H2O + 3 CO2 + 3 CH4
35
Esto quiere decir que la fermentación anaerobia de almidón resulta en un 50% de
metano.
1.5 MATERIAS PRIMAS
La cantidad y características de los materiales orgánicos (tanto plantas
como desechos de animales) disponibles para la digestión varían ampliamente.
En áreas rurales, el material digestible dependerá del clima, el tipo de agricultura
practicada, los animales que se crían y su grado de confinamiento, los métodos
de recolección de desechos, etc. Existen también grados de calidad y
disponibilidad únicos para desechos urbanos. Debido a todas estas cosas, es
prácticamente imposible idear o utilizar alguna fórmula o regla practica para
determinar la cantidad y calidad de desechos orgánicos que se disponen de
cualquier fuente dada. Sin embargo, existe alguna información básica la cual es
útil cuando se pone en duda cuanto desecho se debe alimentar a un biodigestor.
1.5.1 Propiedades Digestibles de la Materia Orgánica
Cuando las materias primas son digeridas en un depósito, solo parte de los
desechos son realmente convertidos en metano y lodo. Algo de la materia prima
no es digerible en grados variados, y se acumula en el digestor o pasa a través
del con el efluente o espuma. La “digestibilidad” y otras propiedades básicas de la
materia orgánica son generalmente expresadas en los siguientes términos:

Humedad: el peso de agua perdido durante el secado a 105ºC hasta peso
constante.
36

Sólidos Totales (ST): el peso de los materiales secos que permanecen
después del secado anterior. El peso ST es generalmente equivalente al
“peso seco”. (Sin embargo, si el material se secado al sol, se asume que
todavía contendrá cerca de 30% de humedad). ST esta compuesto de
compuestos orgánicos digestibles o “sólidos volátiles” (SV), y residuos no
digestibles o “sólidos fijos”.

Sólidos Volátiles (SV): el peso de sólidos orgánicos quemados cuando la
materia seca es tostada (calentada alrededor a 538ºC). Esta es una
característica práctica de la materia orgánica que se debe conocer, desde
que los SV pueden ser considerados como la cantidad de sólidos
realmente convertidos por las bacterias.

Sólidos Fijos (SF): el peso que permanece después del tostado. Este es
biológicamente inerte.
Como un ejemplo, se considera la composición del excremento fresco de pollo:
FIGURA 11. Propiedades del excremento del pollo.
37
De modo que si se tiene 100 kilogramos de excremento fresco de pollo, 7280 kilogramos de este podría ser agua y solo 15-24 kilogramos (75-80% de
Sólidos Volátiles de los 20-28% de los Sólidos Totales) podrían estar disponibles
para la digestión.
1.5.2 Cantidades de Estiércol que se puede Recolectar
Cuando se observa una tabla la cual muestra la cantidad de excremento
producido por diferentes tipos de animales vivos, es importante conocer que la
cantidad de la tabla no puede ser la cantidad realmente disponibles de los
animales presentes. Existen tres razones para esto:
1.5.2.1 El Tamaño (Edad) del Animal
Considerar la producción de estiércol húmedo total de diferentes cerdos
clasificados según la tabla2
Tabla 2. Producción de estiércol húmedo total de diferentes cerdos.
Peso
Del
cerdo
Kg
Total
Estiércol
Heces Orina
Kg
Ratio
Excremento/
Peso cerdo
18-36
2.54
1.2
1.34
1:11
36-55
5.20
2.45
2.75
1:9
55-73
6.60
2.95
3.65
1:10
73-90
7.98
3.86
4.12
1:10
Fuente: Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith Complete Instructions
For Two Working Models by L. John Fry
38
De modo que el tamaño (edad) del animal vivo tiene mucho que ver con la
cantidad de estiércol producido. Notar que la relación de la producción de
excremento húmedo total al peso del cerdo es casi constante. Es probable que
ratios similares pudieran encontrarse para otros tipos de animales, haciendo
posible estimar la producción de excremento a partir del tamaño del ganado. En
una granja media o pequeña el confinamiento total del ganado no siempre es
posible o aun deseable
1.5.2.2 El Grado de Confinamiento del Ganado
A menudo los valores dados para la producción de estiércol son para
animales comerciales los cuales están totalmente confinados. Todo su estiércol
puede ser recolectado. En las granjas grandes o pequeñas el confinamiento total
de los animales en crianza no siempre es posible ni deseable. Con forraje y
ganado disperso existe menos posibilidad de que se contraiga enfermedades y
más probabilidad que aumente la calidad de su dieta con alimentos naturales.
Debido a esto, una gran proporción de estiércol es depositada en el campo
y por lo tanto es difícil de recolectar. Por ejemplo, la producción de excremento
fresco de pollos comerciales en confinamiento total es cerca de 0.4 lbs. por pollo
por día. Sin embargo, para operaciones a pequeña escala como las granjas,
donde la preferencia tiende a favorecer el bienestar de los pollos antes que la
economía de la producción de huevos, los pollos se dejan que busquen alimento
todo el día y son guardados solo en la noche. En tales casos, solo el excremento
que cae en la noche en los gallineros puede ser adecuadamente recolectado. De
39
acuerdo a registros, esto puede llegar a representar solo 0.1 a 0.2 libras de
excremento fresco por día por pollo adulto. Algo parecido sucede con los otros
tipos de animales de la granja.
1.5.2.3 El Tipo de Estiércol que es Recolectado
a. Todo el estiércol fresco (heces y orinas)
b. Todo el estiércol fresco mas el material recolectado en la noche
c. Solo heces húmedas
d. Solo heces secas.
1.6
PRODUCCION DE ESTIERCOL Y LA UNIDAD DE
ANIMALES DE CRIA
Manteniendo en mente todos estos factores que pueden afectar el tipo y
cantidad de estiércol que puede recolectado, se puede elaborar una tabla general
de producción de estiércol. Esta tabla solo muestra valores promedios obtenidos
de diferentes fuentes (Gotaas, H. 1996; Waksman, S. 1998). Los valores son
expresados como la cantidad en libras de estiércol húmedo, excremento seco y
sólidos volátiles que podría esperar de varios animales de cría adultos por día.
Para la tabla, un animal adulto es: vaca – 1000 lbs; caballo – 850 lbs; cerdo – 160
lbs; humano – 150 lbs; oveja – 67 lbs; pavo – 15 lbs; pato – 6 lbs; pollo – 3.5 lbs.
La Tabla 3 nos permite tener alguna idea de la producción de material
fácilmente digestible (sólidos volátiles) de diferentes animales. Solo las heces es
40
considerada para vacas, caballos, cerdos y ovejas, debido a que su orina es difícil
de recolectar. Sin embargo para humanos y aves de corral, tanto la orina y heces
se toman en cuenta, desde que estos son convenientemente recolectados juntos.
Los valores relativos de los desechos digestibles producidos no se dan en
libras de estiércol por animal por día, sin en una unidad relativa más conveniente
llamada la “Unidad de Animal de Cría”. La tabla muestra que sobre el promedio un
caballo de tamaño medio produce tanto estiércol digerible como 4 cerdos
grandes, 12.5 ovejas, 20 humanos adultos o 100 pollos.
Tabla 3. Estiércol y la unidad de animales de cría
Fuente: Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith Complete Instructions For Two
Working Models by L. John Fry
41
1.7 PROPORCION CARBONO A NITROGENO (C/N)
Desde un punto de vista biológico, los digestores pueden ser considerados
como un cultivo de bacterias que se están alimentado de y convirtiendo los
desechos orgánicos. Los elementos carbono (en la forma de carbohidratos) y
nitrógeno (como proteína, nitratos, amoniaco, etc.) son los alimentos principales
de las bacterias anaeróbicas. El carbono es utilizado para energía y el nitrógeno
para la construcción de estructuras celulares. Estas bacterias utilizan el carbono
cerca de 30 veces más rápido que estas utilizan el nitrógeno.
La digestión anaeróbica procede mejor cuando la materia prima alimentada
a las bacterias contiene una cierta cantidad de carbono y nitrógeno juntos. La
proporción carbono a nitrógeno (C/N) representa la proporción entre estos dos
elementos. Un material con 15 veces más carbono que nitrógeno deberá tener
una proporción C/N de 15 a 1 (expresado C/N = 15/1, o simplemente 15).
Una proporción C/N de 30 (C/N = 30/1, 30 veces más carbono que
nitrógeno) permitirá que la digestión proceda a una velocidad óptima, si las otras
condiciones son favorables. Si existe demasiado carbono (una proporción C/N
alta; por ejemplo 60/1) en los desechos crudos, el nitrógeno será utilizado
primero, dejando el carbono sin utilizar. Esto hará al digestor muy lento. De otro
lado, si existe demasiado nitrógeno (una proporción C/N baja; por ejemplo 30/15,
o simplemente 2), el carbono se agotará pronto y la fermentación se detiene. El
nitrógeno remanente será perdido como gas amoniaco (NH3). Esta pérdida de
nitrógeno disminuye la capacidad fertilizante del lodo efluente.
42
Existen muchas tablas estándar que presentan las proporciones C/N de
varios materiales orgánicos, pero estos pueden variar bastante por lo menos por
dos razones:
-
La proporción de carbono a nitrógeno medido químicamente en el
laboratorio a menudo no es la misma proporción de carbono a nitrógeno
disponible a las bacterias como alimento (algo del alimento podría ser
indigestible a las bacterias; paja, lignina, etc.).
-
El contenido de nitrogeno o carbono de incluso un desecho especifico
vegetal o animal puede variar tremendamente de acuerdo a la edad y
condiciones de crecimiento de la planta; y la dieta, edad, grado de
confinamiento, etc., del animal.
 Nitrógeno: debido a que el nitrógeno existe en muchas formas químicas
en la naturaleza (amoniaco, NH3; nitratos; NO3; proteínas, etc.), no existen
pruebas “rápidas” confiables para medir la cantidad total de nitrógeno en un
material dado. Un tipo de ensayo podría medir el nitrógeno amoniacal y
orgánico (el método Kjeldahl), otro podría medir el nitrógeno del
nitrato/nitrito, etc. También, el nitrógeno puede ser medido en términos de
peso húmedo, peso seco o contendió de sólidos volátiles del material;
todos los cuales darán valores diferentes para la proporción de nitrógeno.
Finalmente, el contenido de nitrógeno de un tipo de específico de estiércol
o desecho vegetal puede variar, dependiendo de las condiciones de
crecimiento, edad, dieta, y así sucesivamente.
43
Por ejemplo, un estudio reportó un campo de cebada el cual contenía 39%
de proteína sobre los primeros 21 días de crecimiento, 12% de proteína sobre los
49 días (etapa de floración) y solo 4% de proteína sobre los 86 días. Se puede
observar cuanto de nitrógeno de la proteína depende de la edad de la planta.
El contenido de nitrógeno del estiércol varía ampliamente. Generalmente, el
estiércol consiste de heces, orina y cualquier material de lecho (paja, tuzas del
maíz, heno, etc.) que pueden usados en el abrigo de los animales de crianza.
Debido a que la orina es la manera del animal de librarse del exceso de nitrógeno,
el contenido de nitrógeno del estiércol dependen fuertemente de cuanta orina es
recolectada con las heces.
Por ejemplo, las aves naturalmente excretan heces y orina en la misma
carga, de modo que el contenido de nitrógeno del estiércol de pollos, pavos, patos
y palomas es el más alto respecto a otros animales. Le sigue en el contenido de
nitrógeno, debido a sus dietas variadas o hábitos de pastoreo los humanos,
ovejas, y luego los caballos. Las vacas y otros rumiantes, los cuales utilizan a las
bacterias en su estomago para digerir los alimentos vegetales, tienen una bajo
contenido de nitrógeno en el estiércol debido a que gran cantidad del nitrógeno
disponible es utilizado para alimentar su bacterias intestinales (figura 12).
44
Figura 12. Tipos de nitrógeno encontrados en diferentes clases de estiércol
Fuente: Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith Complete Instructions
For Two Working Models by L. John Fry
Aun con la misma clase de animal existen grandes diferencias en la
cantidad de nitrógeno en el estiércol. Por ejemplo, el estiércol de caballos de un
establo pueden tener más nitrógeno que el estiércol de los caballos en pastoreo
debido a que las heces y orina son excretadas y recolectadas en el mismo lugar.
Debido a que existen muchas variables, y teniendo en cuenta que las
bacterias anaeróbicas pueden utilizar la mayoría de las formas de nitrógeno, el
contenido de nitrógeno disponible de los materiales orgánicos pueden mejor ser
generalizado y presentado como nitrógeno total (% del peso seco).
 Carbono: a diferencia del nitrógeno, el carbono existe en muchas formas
las cuales no son directamente utilizadas por las bacterias. La forma de
carbón indigestible más común es la lignina, un componente complejo de
las plantas la cual hace a las plantas rígidas y resistentes a doblarse. La
lignina puede ingresar a un digestor ya sea directamente con los desechos
45
vegetales o indirectamente como parte del lecho de los animales o
alimento vegetal indigestible en el estiércol. Por lo tanto, un dato más
exacto de la parte de C
de la proporción C/N es obtenida cuando
consideramos el contenido de carbón que “no es lignina” de los desechos
vegetales.
1.8 NUTRIENTES
Junto con una fuerte de energía en forma de carbono orgánico, los
microbios requieren nitrógeno, fósforo y otros factores de crecimiento que originan
efectos complejos. El nivel de nutrientes para la microflora debiera ser por lo
menos superior al valor óptimo, desde el punto de vista de la concentración
requerida para las bacterias metanogénicas, puesto que este grupo de
microorganismos se inhibe severamente con una deficiencia ligera de nutrientes.
Sin embargo, la deficiencia nutritiva no debiera ser un problema cuando se
suministran alimentos combinados a los animales, puesto que estos sustratos
proveen usualmente más que suficiente desde el punto de vista de cualquier
requerimiento.
Puesto que los distintos materiales que se fermentan en el biodigestor
tienen diferentes composiciones químicas, la producción de biogás se producirá a
distintos ritmos. Yongfu et al. (1989) han informado que el gas producido por
distintos tipos de cargas. Los materiales con alto contenido de nitrógeno, tales
como las excretas de animales, se descomponen fácilmente y producen biogás de
una forma rápida; por lo tanto, el período fermentativo es corto. La
descomposición de materiales con un alto contenido de carbono es más lento,
pero el período fermentativo es más largo. Los materiales con diferentes
46
proporciones
de
carbono/nitrógeno
(C/N)
difieren
ampliamente
en
sus
rendimientos en biogás. El valor C/N para la excreta porcina es bajo, mientras que
en la paja de arroz es alto. Aunque las condiciones de fermentación y el monto de
sólidos totales en ambos tipos de materiales era el mismo, se halló una diferencia
de 58-105% en la producción de biogás (Yongfu et al. 1989).
1.9 PROBLEMAS DE TOXICIDAD
Los
compuestos
tóxicos,
aún
en
concentraciones
bajas,
influyen
negativamente en el proceso de digestión al disminuir la velocidad del
metabolismo de la microflora. Las bacterias metanogénicas son generalmente las
más sensibles, aunque en general todos los grupos de microorganismos que
participan en el proceso son afectados. Debido a su lento crecimiento, la
inhibición de las metanobacterias puede llevar a un fallo completo en el proceso
en sistemas mixtos, debido a un desbalance en la población bacteriana. Los dos
principales indicadores de que hay algún tipo de inhibición en el proceso son la
disminución en la producción de metano y un incremento en la concentración de
acidos grasos de cadena corta en el medio.
Un nutriente esencial puede devenir tóxico para los microbios si su
concentración se vuelve muy alta. En el caso del nitrógeno, es muy importante
mantener un nivel óptimo en su concentración para que el biodigestor opere
satisfactoriamente. Un desbalance consistente en un contenido alto de nitrógeno y
una baja disponibilidad de energía causa una toxicidad por una indebida
generación de amoníaco. Usualmente, los niveles de amoníaco deben
mantenerse por debajo de 80 ppm (Anderson 1982), pero a concentraciones
excesivamente altas, como entre 1500 y 3000 ppm, el amonio aún puede
47
tolerarse en el medio (Gunnerson y Stuckey 1986). Marchaim (1992) ha informado
que los primeros síntomas de inhibición en el proceso se han detectado con
concentraciones de amoníaco de 8000 ppm. Esta clase de situación ocurre
raramente en áreas rurales de países en desarrollo debido a las limitaciones en el
contenido de nitrógeno en el suelo y los alimentos para los animales y seres
humanos. Las concentraciones altas de ácidos grasos de cadena corta pueden
asociarse también a procesos de toxicidad. No se sabe exactamente si estos
ácidos pueden ser tóxicos per se, a altas concentraciones, o se debe a una caída
en el pH del medio (Gunnerson y Stuckey 1986).
Deben tomarse precauciones para evitar la entrada en el biodigestor de
ciertos iones metálicos, sales, sustancias bactericidas o sintéticas como las
indicadas por Yongfu et al. (1989). Rodríguez et al. (1996) informaron una
reducción en la producción de gas cuando las excretas procedían de animales
tratados con antibióticos. Aún una pequeña cantidad de cualquier inhibidor
infiltrado en el digestor puede provocar una catástrofe en la operación del
sistema. Por otra parte, de acuerdo con algunos investigadores, los microbios
productores de biogás pueden sobreponerse a estos inhibidores mediante un
proceso adaptativo (Youngfu et al. 1989).
48
1.10 RITMO DE CARGA
Se calcula el ritmo de carga como el total de materia seca (MS) o materia
orgánica (MO) que se introduce diariamente en el biodigestor, en términos del
volumen de su fase liquida, expresada en metros cúbicos. La MO o sólidos
volátiles (SV) se refieren a la parte de la MD o sólidos totales (ST) que se
volatilizan durante la incineración o reducción a cenizas de toda la materia
orgánica. En teoría, la MO contiene todos los compuestos orgánicos que pueden
convertirse en metano. Normalmente, las excretas animales suelen tener una
concentración de MS por encima del 10%. Puesto que los requerimientos de
operación de un reactor anaerobio establecen que el contenido total de MS en la
carga no puede exceder este valor de 10%, en muchos casos, los desperdicios de
la granja deben diluirse antes de cargar el biodigestor (Loehr 1974).
El ritmo de producción de biogás se refiere al rendimiento de biogás
producido por unidad de masa de MS o MO. La fermentación en el biogás
requiere de un cierto rango de concentración de MS, que en la práctica es amplio,
generalmente desde 1 hasta 30%. La concentración óptima depende de la
temperatura. Se ha encontrado que en el verano de algunos países (25 a 27 oC),
la concentración óptima es de 6%, mientras que a temperaturas algo más bajas
en primavera (18 a 23oC), la concentración óptima es de 12% (Yongfu et al.
1989).
Para determinar el contenido de MO en las excretas animales, se suele a
menudo determinar la demanda química de oxígeno (DQO) o la demanda
49
biológica de oxígeno (DBO). La DQO es la cantidad, en mg, de oxígeno
consumido para la oxidación, mediante un oxidante fuerte, de las sustancias
reductoras presentes en un litro de muestra de material de desperdicio o excreta.
Se usa la DQO para mostrar el grado en que el agua está contaminada. Hasta
cierto punto, la DQO muestra la cantidad de sustancias oxidables contenidas en el
agua o líquido en cuestión. El cambio de valores de la DQO antes y después del
proceso fermentativo puede indicar la eficiencia del proceso.
La DBO representa la cantidad demandada de oxígeno, igualmente en mg,
para la descomposición de sustancias orgánicas contenidas también en un L, por
medio de microbios aeróbicos. El valor de la DBO también puede sugerir cuál
método puede ser el más conveniente para el tratamiento de un residual dado.
50
1.11 TIEMPO DE RETENCION
Debido a que el proceso de producción de gas es lento, mientras más
tiempo estén las sustancias descargadas en el biodigestor, mayor será la
producción de gas en términos absolutos por unidad de sustrato. Hay dos índices
para identificar la retención de las sustancias en el digestor. El tiempo de
retención de los sólidos biológicos (TRS) se determina al dividir el monto de MO o
SV cargados en el digestor, entre la cantidad de MO que sale del sistema
diariamente. Se asume que el TRS representa el tiempo de retención promedio de
los microorganismos en el digestor. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es la
proporción entre el volumen del reactor o digestor, dividido por la carga diaria.
Estos índices son importantes en los digestores de última generación. Por otra
parte, en condiciones de granja es más práctico medir el TRH que el TRS por
razones obvias.
51
1.12 BIODIGESTORES
La adopción de biodigestores ha sido muy alta entre agricultores de áreas
donde la leña escasea o el acceso a electricidad u otras fuentes de energía es
limitado. Esta situación ha sido observada en diferentes lugares del mundo. Como
un resultado de la investigación en la tecnología de biogás, se han desarrollado
diferentes diseños de plantas de biogás como el caso del tipo de la India, con una
campana flotante o el modelo chino de campana fija para el almacenamiento de
biogás (Brown, 1987; Marchaim, 1992). De acuerdo a la experiencia de Xuan An
et al. (1997a), en zonas tropicales los modelos de la India (también conocido
como Gobar) y el modelo Chino han tenido problemas por la aparición de grietas
en el concreto usado para construir estas unidades, especialmente durante
periodos largos de altas temperaturas.
Impulsado por la intención de resolver estos problemas, el Dr. T.R. Preston
desarrolló un sistema de biodigestor utilizando polietileno, en vez de cemento,
como material esencial en su instalación. Una de las principales ventajas de un
biodigestor de polietileno (BDP), comparado con otros modelos de digestores,
es el bajo costo de instalación y mantenimiento (Xuan An et al., 1997b; Botero et
al., 2000). Además, los materiales usados en la instalación del BDP son
normalmente encontrados sin dificultades en zonas rurales y tienen la ventaja de
ser de bajo peso (Botero et al., 2000; Aguilar, 2001a).
Rodriguez y Preston (2000), Botero et al. (2000) y Aguilar (2001a, 2001b)
describen en detalle el diseño e instalación de una BDP de bajo costo. El primer
prototipo de esta unidad de polietileno fue probado por una familia en Etiopía en el
año 1985 por el International Livestock Center for Africa (actualmente International
Livestock Research Institute). El polietileno era un material de bajo costo con un
52
precio menor a 10 dólares americanos para un digestor de 4 m³ de capacidad
líquida. El sistema trabajó sin problemas y era fácil de manejar (Xuan An et al.,
1997a).
Debido a su bajo costo de instalación en comparación a otras plantas de
biogás y a su exitosa adopción por parte de agricultores en América Latina y
países del Sureste Asiático, el BDP es el sistema utilizado en trabajo de
investigación para evaluar los parámetros de operación durante la digestión de
desechos de un camal.
1.12.1 Datos de Diseño para un Biodigestor de Polietileno
Un biodigestor de tamaño promedio para una familia rural tiene un volumen
total de 7,2 m3, lo cual significa que una manga de 1 m de diámetro el largo
necesario es aproximadamente 10 m. Este biodigestor debe tener una fase líquida
de 5,1 m3 (75 % del total de la capacidad) y 1,8 m3 para el almacenamiento del
biogás (25 % del total de su capacidad).
EL biodigestor de polietileno debe recibir una carga diaria de 21,6 kg de
excrementos frescos mezclados con 86,4 kg de agua. Esto representa una carga
anual de 7 885 kg de excrementos frescos y 31 536 kg de agua. Ocho cerdos
adultos o una vaca lechera adulta (confinada a tiempo completo) pueden producir
la cantidad necesaria por día (Botero y Preston, 1986).
La mezcla de excrementos frescos y agua es necesaria para mantener un
flujo continuo de material orgánico dentro del biodigestor. Botero y Preston (1986)
sugieren esta mezcla en proporción 1/4, (excrementos/agua) para reducir la
concentración de sólidos de 15 % en el material fresco a 3 % - 4 % en el material
cargado dentro de la planta de biogás.
53
Durante el proceso de digestión anaeróbica dentro del BDP, el carbono es
el único elemento que es emitido en cantidades considerables bajo condiciones
normales (Hedlund y Xuan An, 2000).
Otros nutrientes como nitrógeno (N), fósforo (P), y potasio (K) se mantienen
en iguales cantidades, pero salen en una mayor concentración en el efluente,
dado que el estiércol a sido digerido dentro del biodigestor y se ha reducido su
volumen (Botero y Preston, 1986; Hedlund y Xuan An, 2000). Por tanto, la misma
cantidad anual de macronutrientes que ingresa al sistema (36,5 kg N, 58,4 kg P y
55,2 kg K) es la que sale del biodigestor a través de su tubo de salida. La Figura 1
muestra un flujo de nutrientes para un BDP de las características descritas
previamente.
Figura 13. Análisis de ecosistema para un biodigestor de polietileno basado
en 7885
kg de excrementos frescos (Hedlund y Xuan An, 2000).
Fuente: Methane Digesters for Fuel Gas and FertilizerWith Hedlund y Xuan An, 2000
54
1.13 DISEÑO DE BOX-BEHNKEN PARA TRES VARIABLES
INDEPENDIENTES
Es un diseño que viene hacer la simplificación de un diseño factorial se
obtienen datos semejantes al diseño factorial utilizando solo 13 recomendaciones
que da el modelo.
55
Tabla 3. Diseño de Box – Behnken.
X1
pH
X2
C/N
X3
% Solidos
Sedimentables
-1
6
1
8
-1
6
1
8
-1
20
-1
20
1
40
1
40
0
3.5
0
3.5
0
3.5
0
3.5
-1
6
1
8
-1
6
1
8
0
6
0
7
0
7
0
7
0
7
0
30
0
30
0
30
0
30
-1
20
1
40
-1
20
1
40
0
30
-1
2
-1
2
1
5
1
5
-1
2
-1
2
1
5
1
5
0
3.5
Experimento
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Fuente: GREASHAM, R.; INAMINE, E.; 2000. Nutritional Improvement of Processes.
56
Para evaluar el comportamiento de estas variables con la producción de
biogás es necesario realizar una optimización con técnicas como respuestas
superficiales o utilizar mapas de contorno. Sin embargo también se recomienda el
uso del siguiente modelo polinomial cuadrático que representa el comportamiento
de tres variables independientes (pH, relación C/N y % de sólidos sedimentables)
y una variable dependiente (velocidad de producción de biogás, cm3/min):
Y = b0 + b1X1+b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b13X1X3 + b23X2X3 + b11X1 2 +
b22X22 + b33X32
Donde Y es la variable dependiente (velocidad de producción de biogás),
X1, X2 y X3 son las variables independientes; b0 es el coeficiente de regresión en
el punto central; b1,b2 y b3 son coeficientes lineales; b12, b13 y b23 son
coeficientes de interacción de segundo orden; y b11, b22 y b33 son coeficientes
cuadráticos (GREASHAM y INAMINE, 2000).
57
CAPITULO II
2. MATERIALES Y METODOS
2.1 UNIVERSO
Estiércol del Camal Municipal del Motupe.
2.2 MUESTRA
Después de establecer un biodigestor bien amortiguado se comenzó a
alimentar todos los días el estiércol de estómagos de ganado vacuno y porcino
diluido con agua y mezclado con chala de maíz para alcanzar las diferentes
proporciones de C/N. Para cada ensayo se empleó 25.77 kg de estiércol de
ganado vacuno y porcino mezclados con chala de maíz. Sacrificado en el camal
en forma diaria.
58
2.3 CONSTRUCCION DEL BIODIGESTOR
Se construyó un digestor tubular con manga de polipropileno de 1.25 m de
diámetro y 7 m de largo. El plástico empleado fue de calibre 6. Para la entrada y
salida al biodigestor se acondiciono 5 baldes de plástico para cada lado. Para la
salida del gas se instaló una tubería de 1 pulg de diámetro con una válvula de
seguridad para llevar el gas hacia una bolsa acumuladora. La bolsa acumuladora
se construyo con el mismo material (polipropileno) con un diámetro de 0.95 m y
un largo de 1.0 m (0.709 m3).
En la válvula de seguridad se coloco una esponja de hierro para atrapar el
H2S presente en el gas producido. Para el transporte del gas al acumulador se
empleo manguera de 1 pulg con accesorios de la misma dimensión. Del
acumulador a la cocina también se empleo manguera de 1 pulg a la cual se
instaló convenientemente un quemador de hierro regulado con una válvula de
control.
El reactor se instaló sobre un lecho previamente acondicionado de 70 cm
de profundidad, 1.00 m de ancho y 10 m de largo. Para la dilución del estiércol del
camal se empleo un balde de 30 litros lo cual permitió hacer diluciones de 5 kg de
la mezcla por 20 kg de agua hasta terminar con la cantidad requerida de la
mezcla en cada ensayo.
La salida del biodigestor se nivelo de tal manera que permitió mantener un
nivel de líquido del 75% del volumen total dejando 25% por ciento para la
acumulación de gas.
59
2.4 OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR
Después de 45 días de estabilizar el biodigestor se comenzó a alimentar en
forma diaria los 25.77 kg de estiércol combinado de ganado vacuno y porcino
mezclado con chala de maíz. Las mezclas con relaciones de C/N de 20, 30 y 40 la
preparación se da en el cuadro 1:
Cuadro 1. Preparación de la relación C/N
C/N:20
C/N:30
C/N:40
21.32 kg
14.25 kg
10.07 kg
Chala de maiz
4.45 kg
11.52 kg
15.70 kg
Total
25.77 kg
25.77 kg
25.77 kg
Excremento
vacuno y porcino
Fuente: Elaborado por los autores.
Para ensayar con diferentes porcentajes de sólidos sedimentables se
empleo diferentes diluciones, la preparación se da en el cuadro 2:
Cuadro 2. Preparación del % de solidos Sedimentables.
2%
3.5%
5%
Total residuos
25.77 kg
25.77 kg
25.77 kg
Total agua
181.65 kg
103.08 kg
72.66 kg
Total
207.42 kg
128.85 kg
98.43 kg
Fuente: Elaborado por los autores.
Los pH ensayados fueron de 6, 7 y 8, los cuales se lograron ajustar con el
uso de lechada de cal y en algunos con autoajuste del sistema de reacción. El gas
60
producido en forma diaria se acumulo en el biodigestor y el tanque de
almacenamiento.
Para medir la velocidad de producción de biogás con los diferentes
porcentajes de sólidos sedimentables, diferentes relación C/N y diferentes pHs se
midió el tiempo de llenado del tanque de almacenamiento de 709 litros de
capacidad. Para igualar las condiciones de recojo y tener seguridad de que el
tanque se lleno con los 709 litros se tuvo cuidado de que la válvula de seguridad
comienza a botar sus primeras burbujas cuando el nivel del agua se mantuvo
siempre en 5 cm de altura.
Los resultados del tiempo de recojo se muestran en el anexo y se calculó la
velocidad de producción expresado en cm3 por hora, los que se muestra en el
Cuadro de Resultados.
Cada combinación ensayada de acuerdo al Diseño Box- Behnken, duro 7
días, de los cuales 4 días (martes-viernes) se empleo para realizar las mediciones
del tiempo de recolección de gas, tomando como punto de inicio las 6:30 a.m.
Para darle uso al gas producido se acondiciono una cocina de una hornilla
que se utilizó para calentamiento de agua que a la vez fue utilizado para limpieza
del camal.
61
CAPITULO III
3. RESULTADOS
Se midió el tiempo de recolección de los 709 litros que tenía el tanque de
almacenamiento y se calculó la velocidad de producción de biogás en cm3/min
para los cuatro días por semana de toma de datos con lo cual se hallo la
velocidad promedio. Los cálculos se muestran en el Anexo y los resultados de
velocidad se presentan en el cuadro 3.
62
Cuadro 3: Ensayos para hallar el promedio de velocidad de producción de
biogás (cm3/min)
Ensayo
X1
pH
X2
C/N
X3
% Sólidos
Sedimentables
Velocidad
Promedio
(cm3/min)
6.0
20
3.5
1412.75
2
8.0
20
3.5
1542.75
3
6.0
40
3.5
1393.00
4
8.0
40
3.5
1573.25
1
1358.50
5
6.0
30
2.0
1603.75
6
8.0
30
2.0
1647.50
7
6.0
30
5.0
1684.00
8
8.0
30
5.0
1330.25
9
6.0
20
2.0
1441.25
10
7.0
40
2.0
1512.00
11
7.0
20
5.0
1473.50
12
7.0
40
5.0
13
7.0
30
3.5
Fuente: Los autores
63
1630.25
De los resultados obtenidos
se observa que la mayor velocidad de
producción de biogás se produjo con pH de 8.0, relación C/N de 30 y 5 % de
sólidos sedimentables, produciéndose 1684.00 cm 3/min medidos a 25ºC y 1 atm.
La menor velocidad de producción se obtuvo con pH de 6.0, relación C/N de 20 y
2% de sólidos sedimentables, produciéndose 1330.25 cm 3/min.
Con los valores experimentales se ensayo una regresión polinomial
cuadrática, empleando el programa Polymath 6.0. Se obtuvo los siguientes
resultados mostrados en la Tabla 4.
Modelo:
Y=b0+b1*X1+b2*X2+b3*X3+b12*X1*X2+b13*X1*X3+b23*X2*X3+b1
1*X12+b22*X22+b33*X32
64
Tabla 4. Valores de las constantes del modelo polinomial cuadrático
Variable Conjetura Inicial
Valor
95% confiabilidad
b0
-706,
-707,6609
1169,939
b1
126,
128,2516
320,0558
b2
63,
61,58256
15,11008
b3
350,
361,9986
90,42429
b12
2,
2,240152
1,54172
b13
-28,
-28,23232
10,27814
b23
-1,
-0,9750631
1,189202
b11
-2,
-1,96875
22,49453
b22
-1,
-1,232462
0,2025351
b33
-12,
-13,44276
9,001567
Referencia: los autores, con Polymath
La regresión obtenida fue de 0.9344 como se muestra en el Anexo.
Con la ecuación obtenida se realizo una optimización matemática
empleando el programa Mathcad obteniéndose los siguientes valores óptimos
para una producción maximizada:
65
 8 
Maxi mizeY
(  X1  X2  X3)   3 0.6 91


 3 .95 1 
El pH óptimo es de 8.0, la relación C/N recomendables es 30.691 y el % de
sólidos sedimentables óptimo es 3.951.
66
CAPITULO IV
4. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Con las diferentes combinaciones de las variables independientes del
diseño simplificado de Box- Behnken, que simplifica el diseño factorial de 3 3
ensayos se obtuvieron los resultados expresados en velocidad de producción de
biogás (cm3/min) y se muestran en el cuadro 3.
67
La mayor producción de biogás se produjo con pH de 8.0, relación C/N de
30 y % de sólidos sedimentables de 5.0. La producción obtenida fue de 1684.00
cm3/min o 1.684 litros/min medidos a presión atmosférica y 25ºC. Este valor es
8.5% menor que la velocidad de producción obtenida por Botero y Preston en el
año 2000 (1.84 litros/min) bajo condiciones óptimas de producción utilizando el
mismo tipo de biorreactor. Sin embargo, si lo comparamos con el valor obtenidos
por 1.44 litros/min por Xuan An et al., en al año 2002, lo obtenido en este trabajo
representa una producción 16.95% mayor.
Estos resultados también concuerdan con lo esperado de acuerdo a la
teoría revisada. Un biodigestor si esta bien amortiguado por autorregulación del
sistema alcanza pH mayores de 7.5, por lo que el pH de 8.0 mantenido en el
ensayo con combinación optima de pH, relación C/N y % de sólidos
sedimentables dio la mejor producción. Así mismo, la mejor combinación
corresponden a una relación C/N de 30, lo cual coincide con la teoría que indica
que debido a que el carbono es utilizado para energía y el nitrógeno para la
construcción de estructuras celulares, las bacterias anaeróbicas utilizan el
carbono cerca de 30 veces más rápido que estas utilizan el nitrógeno. Una
proporción C/N de 30 (C/N = 30/1, 30 veces más carbono que nitrógeno) permitirá
que la digestión proceda a una velocidad óptima, si las otras condiciones son
favorables. Si existe demasiado carbono (una proporción C/N alta; por ejemplo
60/1) en los desechos crudos, el nitrógeno será utilizado primero, dejando el
carbono sin utilizar. Esto hará al digestor muy lento. De otro lado, si existe
demasiado nitrógeno (una proporción C/N baja; por ejemplo 30/15, o simplemente
2), el carbono se agotará pronto y la fermentación se detiene. El nitrógeno
remanente será perdido como gas amoniaco (NH3). Esta pérdida de nitrógeno
disminuye la capacidad fertilizante del lodo efluente (FRY L.J. 2001).
68
Respecto al % de sólidos sedimentables, el valor óptimo de la combinación
fue de 5% lo que indica que una dilución de 4:1 de sólidos con agua es el valor
recomendables. Una mayor dilución produjo menores valores de velocidad de
producción.
La menor producción de biogás
(1330.25 cm 3/min) corresponde a la
combinación de pH = 6.0; relación C/N = 20 y % de sólidos sedimentables de
2.0%. El valor obtenido es solamente 21% menor que el valor máximo encontrado
en este trabajo de investigación, sin embargo hay que tener en cuenta que la
llama producida con esta combinación fue más amarillenta que la producción
optima, que incluso presento una llama azulada, lo que indica que en al
composición del gas con pobres condiciones existe mayor % de dióxido de
carbono en cambio en la composición del gas con optimas condiciones existe
mayor % de metano. Por razones de presupuesto no se hizo un análisis
cromatográfico de la composición de los gases pero se conoce que en forma
práctica un gas de baja calidad (bajo contenido de CH4) produce una llama
amarilla.
Con los resultados experimentales obtenidos se ensayo una regresión
polinomial cuadrática que dio una regresión de 0.9344, lo que demuestra que hay
un buen ajuste de la ecuación ensayada con los datos experimentales. La
ecuación mostrada en los resultados (cuadro 6) indica también una varianza de
1019,225
que
estadísticamente
demuestra
que
el
modelo
matemático
corresponde al comportamiento del biorreactor.
Este modelo permitió maximizar la producción de biogás con el programa
Mathcad, con el que se obtuvo que una producción óptima se puede obtener con
pH de 8.0, relación C/N de es 30.691 y un % de sólidos sedimentables de 3.951.
69
Los valores encontrados para la optimización de la producción son muy
coincidentes con los valores óptimos encontrados experimentalmente en especial
el pH y la relación C/N. El % de sólidos sedimentables varia, 5% en forma
experimental y 3.951% por optimización matemática. Sin embargo vale decir que
el valor de 3.9515 no está muy alejado del valor experimental, y la dilución que
representa este porcentaje es de 5:1 valor recomendable por varios autores que
han ensayado este tipo de digestor.
70
CAPITULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
 Los resultados obtenidos experimentalmente son muy cercanos a los datos
encontrados en la teoría.
 La mayor producción en forma experimental se logró con pH de 8.0,
relación C/N de 30 y 5 % de sólidos sedimentables.
 El comportamiento del sistema de producción de biogás obedece a una
ecuación polinomial cuadrática (regresión 0.9344)
71
Y = b0+b1*X1+b2*X2+b3*X3+b12*X1*X2+b13*X1*X3+b23*X2*X3+b11*X12
+b22*X22 +b33*X32
Donde:
Y = Velocidad de producción de biogás (cm3/min)
X1 = pH ensayado, niveles 6, 7 y 8
X2 = relación C/N ensayados, niveles 20, 30 y 40
X3 = % de sólidos sedimentables ensayados, niveles, 2, 3.5 y 5.
b0, b1, b2, b3, b12, b13, b23, b11, b22, b33 son constantes del
modelo.
 Con el modelo obtenido la maximización de producción de biogás
(cm3/min) se halla con pH de 8.0; relación C/N de 30.691 y % de sólidos
sedimentables
de
3.951,
valores
semejantes
a
los
encontrados
experimentalmente.
 La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento
de los desechos orgánicos, pues además de disminuir la carga
contaminante de las mismas, extrae gran parte de la energía contenida en
el material sin afectar (o inclusive mejorando) su valor fertilizante y
controlando de manera considerable los malos olores.
72
5.2 RECOMENDACIONES
 Verificar la producción de biogás con los valores obtenidos por la
optimización
matemática
y
compararlos
con
los
obtenidos
experimentalmente.
 se recomienda a la municipalidad ponerle calamina para su mejor
protección solar y de las lluvias en caso halla los medios necesarios.
 Se debe tener un personal instruido específicamente para la alimentación y
cuidado diariamente del biodigestor de excretas, ya que esa es su única
fuente de producción de gas metano
 Para utilizar las excretas como fertilizantes, es necesario darles un
tratamiento que elimine estos agentes infecciosos.
 El bioabono se puede aplicarse directamente al campo en forma líquida,
en las cantidades recomendadas.
 Cada hogar podría implementar su propio biodigestor de polietileno por ser
de bajo costo su construcción.
73
CAPITULO VI
6. ANEXOS
6.1 CALCULOS REALIZADOS PARA LA CONSTRUCCION DEL
BIODIGESTOR
Factores: 7.2 m3
Fase líquida: 5.4 m3 (75%)
Fase gas: 1.8 m (25%)
Carga diaria: 21.6 kg de excrementos frescos
Agua: 86.4 kg (relación 4:1)
74
Biodigestor construido:
Diámetro: 1.25 m
Largo: 7 m
Volumen: 8.59 m3
Fase líquida: 6.44m3
Fase gas: 2.15 m3
Carga diaria: 21.6 x (8.59/7.2) = 25.77 kg
Agua: 103.08 kg
% sólidos sedimentables: 3.5%
Para un % de sólidos sedimentables de 2% se empleo mayor dilución:
Agua: 103.08 x (3.5/2) = 181.65 kg de agua
Para un % de sólidos sedimentables de 5% se empleo una menor dilución:
Agua: 103.08 x (3.5/5) = 72.66 kg de agua.
75
6.2 ETAPAS DE LA CONSTRUCCION Y OPERACIÓN DEL
BIODIGESTOR
 Fosa excavada sobre el suelo para el alojamiento y protección del
Biodigestor.
76
 Adaptación de la manga de polietileno.
 Ubicación de los baldes como canaletas.
77
 Instalación de válvula de la Salida de Gas.
 Llenado de la Bolsa con aire para detectar posibles fugas y que no tenga
arrugas.
 Instalación de la válvula de seguridad.
78
 Preparación de la mezcla.
79
 Llenado con la mezcla de excrementos frescos en el biodigestor.
80
 Vistas del Biodigestor.
81
 Salida de Efluente.
82
 Lugar de Instalación del Quemador.
83
 Instalación del Quemador.
84
 Instalación de la bolsa acumuladora.
 Probado del funcionamiento de del quemador.
85
86
6.3 CALCULOS DE LA RELACION C/N EMPLEADOS EN LOS
ENSAYOS
Datos para el cálculo:
𝐶/𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 16
(12)
Relacion C/N promedio de ganado vacuno (20) y porcino
𝐶/𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 = 120
%𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 2.6% Porcentaje de Nitrógeno promedio de ganado vacuno (1.7%)
y ganado porcino (3.8%)
%𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 = 0.5%
Datos obtenidos de la Tabla relación C/N del libro Methane Digesters For Fuel
Gas and Fertilizer de FRY L. JOHN.
RELACION C/N = 20
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 21.32 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 4.45 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25.77 𝐾𝑔.
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = %𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝐶/𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 0.554 𝐾𝑔.
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 8.869 𝐾𝑔.
𝐶/𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 16
𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧 = %𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 = 0.022 𝐾𝑔.
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 𝐶/𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 2.67 𝐾𝑔.
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.577 𝐾𝑔.
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 11.539 𝐾𝑔.
87
Entonces la RELACION C/N: 20
C/N =
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐶/𝑁 = 20.013
RELACION C/N = 30
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 14.25 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 11.52 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25.77 𝐾𝑔.
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = %𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝐶/𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 0.371 𝐾𝑔.
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 5.928 𝐾𝑔.
𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧 = %𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 = 0.058 𝐾𝑔.
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 𝐶/𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 6.912 𝐾𝑔.
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.428 𝐾𝑔.
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 12.84 𝐾𝑔.
Entonces la RELACION C/N: 30
C/N =
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐶/𝑁 = 29.993
88
RELACION C/N = 40
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 10.07 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 15.70 𝐾𝑔.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25.77 𝐾𝑔.
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = %𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝐶/𝑁𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 0.262 𝐾𝑔.
𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 = 4.189 𝐾𝑔.
𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧 = %𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 = 0.079 𝐾𝑔.
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 𝐶/𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧 ∗ 𝑁𝑚𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧 = 9.42 𝐾𝑔.
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝑁 𝑚𝑎𝑖𝑧
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.34 𝐾𝑔.
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐶 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 + 𝐶 𝑀𝑎𝑖𝑧
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 13.609 𝐾𝑔.
Entonces RELACION C/N: 40
C/N =
𝐶 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑁 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐶/𝑁 = 39.989
89
6.4 TIEMPO DE LLENADO DE
ALMACENAMIENTO DE 709 LITROS.
LA
BOLSA
Cuadro 4. Tiempo de llenado de diferentes ensayos
X1
X2
Ensayo
pH
C/N
Tiempo de
Velocidad de
llenado
producción
(minutos)
(cm3/min)
X3
% sólidos
sedimentables
@ 25ºC
500
1418,000
505
1403,960
502
1412,351
500
1418,000
460
1541,304
455
1558,242
465
1524,731
458
1548,035
510
1390,196
505
1403,960
512
1384,766
508
1395,669
450
1575,556
456
1554,825
448
1582,589
448
1582,589
520
1363,462
523
1355,641
519
1366,089
525
1350,476
440
1611,364
442
1604,072
1
6.0
20
3,5
2
8.0
20
3.5
3
6.0
40
3.5
4
8.0
40
3.5
5
6.0
30
2.0
6
8.0
30
2.0
90
DE
440
1611,364
446
1589,686
426
1664,319
434
1633,641
430
1648,837
431
1645,012
424
1672,170
420
1688,095
415
1708,434
425
1668,235
532
1332,707
528
1342,803
535
1325,234
536
1322,761
490
1446,939
495
1432,323
492
1441,057
490
1446,939
465
1524,731
470
1508,511
468
1514,957
472
1502,119
476
1489,496
486
1458,848
482
1470,954
480
1477,083
435
1629,885
438
1618,721
430
1648,837
436
1626,147
7
6.0
30
5.0
8
8.0
30
5.0
9
6.0
20
2.0
10
7.0
40
2.0
11
7.0
20
5.0
12
7.0
40
5.0
13
7.0
30
3.5
Fuente: Elaborado por los autores.
91
6.5 MODELO DE REGRESION (Polymath)
POLYMATH Report
Nonlinear Regression (L-M)
Model:
Y=b0+b1*X1+b2*X2+b3*X3+b12*X1*X2+b13*X1*X3+b23*X2*X3+b11*X12+
b22*X22+b33*X32
DONDE
Y = Velocidad de producción de biogás (cm3/min)
X1 = pH ensayado, niveles 6, 7 y 8
X2 = relación C/N ensayados, niveles 20, 30 y 40
X3 = % de sólidos sedimentables ensayados, niveles, 2, 3.5 y 5.
92
Cuadro 5. Datos obtenidos con el Programa Polymath.
Variable Initial guess
Value
95% confidence
b0
-706,
-707,6609
1169,939
b1
126,
128,2516
320,0558
b2
63,
61,58256
15,11008
b3
350,
361,9986
90,42429
b12
2,
2,240152
1,54172
b13
-28,
-28,23232
10,27814
b23
-1,
-0,9750631
1,189202
b11
-2,
-1,96875
22,49453
b22
-1,
-1,232462
0,2025351
b33
-12,
-13,44276
9,001567
Fuente: Elaborado por los autores con polymath..
Nonlinear regression settings
Max # iterations = 64
Precision
Cuadro 6. Cuadro de regression.
R^2
0,9344197
R^2adj
0,9203667
Rmsd
3,97884
Variance
1019,225
Fuente: Elaborado por los autores con polymath..
93
6.6 OPTIMIZACION DE LA PRODUCCION DE BIOGAS
Se utilizó el PROGRAMA MATHCAD.
OPTIMIZACION DE LA PRODUCCION DE BIOGAS EN UN REACTOR TUBULAR
𝑏𝑜 = −707.6609
𝑏13 = −28.23232
𝑏1 = 128.2516
𝑏23 = −0.9750631
𝑏2 = 61.58256
𝑏11 = −1.96875
𝑏3 = 361.9986
𝑏22 = −1.232462
𝑏12 = 2.240152
𝑏33 = −13.44276
𝐘(𝐗𝟏, 𝐗𝟐, 𝐗𝟑) = 𝒃𝒐 + 𝒃𝟏 ∗ 𝑿𝟏 + 𝒃𝟐 ∗ 𝑿𝟐 + 𝒃𝟑 ∗ 𝑿𝟑 + 𝒃𝟏𝟐 ∗ 𝑿𝟏 ∗ 𝑿𝟐 + 𝒃𝟏𝟑 ∗ 𝑿𝟏
∗ 𝑿𝟑 + 𝒃𝟐𝟑 ∗ 𝑿𝟐 ∗ 𝑿𝟑 + 𝒃𝟏𝟏 ∗ 𝐗𝟏𝟐 + 𝐛𝟐𝟐 ∗ 𝐗𝟐𝟐 + 𝐛𝟑𝟑 ∗ 𝐗𝟑𝟐
Y = Velocidad de producción de biogas (cm3/min)
X1 = pH ensayado, niveles 6, 7 y 8
X2 = relacion C/N ensayados, niveles 20, 30 y 40
X3 = % de sólidos sedimentables ensayados, niveles, 2, 3.5 y 5.
𝑋1 = 6.5
𝑋2 = 22
𝑋3 = 4
Rangos entre:
𝑋1 ≥ 6
𝑋2 ≥ 20
𝑋3 ≥ 2
𝑦
𝑦
𝑦
𝑋1 ≤ 8
𝑋2 ≤ 40
𝑋3 ≤ 5
8
𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑐𝑒(𝑌, 𝑋, 𝑋2, 𝑋3) = [30.691]
3.951
94
Por lo tanto de acuerdo a los resultados, la máxima producción de biogas
(cm3/min) se puede conseguir con los siguientes valores óptimos:
pH = 8.0
C/N = 30.691
% sólidos sedimentables = 3.951
95
BIBLIOGRAFIA
 BOTERO, R.; PRESTON, T.R. 2000. Manual de instalación de un biodigestor a
bajo costo. Centro para la Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción
Agropecuaria (CIPAV). Cali, CO. 35 p.
 FRY L. JOHN, 2001. Methane Digesters For Fuel Gas and Fertilizer. With
Complete Instructions For Two Working Models.
 GREASHAM, R.; INAMINE, E.; 2000. Nutritional Improvement of Processes. The
Culture, 18, 41-46.
 XUAN AN, B., L. RODRÍGUEZ; S.V. SARWATT, T.R. PRESTON, DOLBERG, F.
2000b. Installation and performance of low-cost polyethylene tube biodigesters on
small-scale farms (online) World Animal Review. (88), 1. Accessed May 10, 2002.
 KAISER, F.;BAS F.;GRONAUER A, 1999 Producción de Biogas a partir de Guano
Animal: el Caso de Alemania.
 RODRIGUEZ l.;PRESTON R.,2001.Biodigestor - manual de installação.
 RENE ALVAREZ A. 1998. Proyecto de Investigación –Universidad Mayor de San
Andrés- La Paz- Bolivia. Producción anaeróbica de Biogás y aprovechamiento de
los residuos del proceso anaeróbico.

AGUILAR F.; BOTERO R., 2006.Los Beneficios económicos totales de la
producción de biogás utilizando un biodigestor de polietileno de bajo costo.
 Kumar, M.; Humar, S.; Poonia, M.P. 2000. Methane, carbon dioxide and nitrous
oxide reduction through the application of biogas technology. Indian Journal of
Environmental Health 42 (3): 117-120
 Hedlund, A., Xuan An, B. 2000. A theoretical integrated nutrient flow on a farm
with three sub-systems in An Son village in Southern Vietnam (online). In
96
Proceedings of the Internet Conference on Material Flow Analysis of Integrated
Bio-Systems (March-October, 2000). Foo, E.; Della, T.; Sakamoto, K. (Editors).
Integrated Bio-Systems Network. Accessed 10 December 2000.
 Craven, J. 1984. Introduction to Economics: An Integrated Approach to
Fundamental Principles. Basil Blackwell Publishers. Malden, US. 541 p.
97