TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: MECANISMOS Y PROCESOS PRODUCTIVOS DEL BIOGÁS

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN SOBRE MECANISMOS Y PROCESOS PRODUCTIVOS DEL BIOGÁS.

1. PROCESO DE DIGESTIÓN PARA PRODUCIR BIOGÁS EN ZONAS RURALES.

La fermentación metanogénica supone un proceso en el que materias orgánicas como paja, diversos pastos, residuos humanos y animales, basuras, Iodos, etc., son degradados en condiciones anaeróbicas por una variedad de distintos microorganismos para generar como producto último el metano. Los microbios de fermentación que producen el biogás engloban tanto las bacterias que descomponen los materiales orgánicos sin producir metano, como aquellas que sí lo producen por diversos procesos y gracias a la cooperación e interacción entre ellos, estos microbios convierten distintos materiales y degradan complejas materias orgánicas para formar el metano.

Hace cien años que se viene estudiando los microbios que producen el biogás por fermentación. A comienzos de 1866, un alumno de Pasteur, Bechamp, fue uno de los primeros en demostrar concluyentemente que la formación de metano es un proceso biológico. En 1875 Popoff agregó, por primera vez, materiales celulósicos a los Iodos fluviales (fangos) con fines de fermentación y pudo producir hidrógeno y metano. En 1901, Schengon, describió más detalladamente las características morfológicas de las metanobacterias y surgió un concepto relativamente claro de su capacidad de conversión. En 1916, Omelianskii aisló por primera vez un linaje de metanobacterias.

2. LOS MICROBIOS METANOGÉNICOS EN LA NATURALEZA.

La fermentación metanogénica es un proceso común y típico en la naturaleza y un componente importante del ciclo de las masas. Los microbios de fermentación que producen biogás están ampliamente distribuidos en la naturaleza, sobretodo en lagos, montones de estiércol, aguas de desagüe, y diversos otros Iodos. Estos constituyen recursos para obtener microbios metanogénicos útiles para el hombre.

Las bacterias metanogénicas se encuentran también en algunas plantas y animales superiores, entre ellos el estómago del rumiante que ofrece un ejemplo típico de órgano especializado en este tipo de fermentación. A través del estudio de los microbios que se encuentran en él, los hombres han obtenido un buen conocimiento sobre las bacterias. Hay numerosas bacterias que producen biogás en el estómago del rumiante, en que se forman metano y carbono. El estomago de una vaca lechera contiene 100 litros de material de fermentación de celulosa, que pueden dar más de 200 litros de metano, lanzados al aire durante la expiración.

3. LAS BACTERIAS PRODUCTORAS DE METANO Y SU CLASIFICACIÓN.

El principal producto de la fermentación en la fabricación del biogás es el metano resultado de la acción de las bacterias metanogénicas. Estas forman el grupo más importante de microbios de fermentación en éste proceso y su interés para la investigación radica no sólo en su utilidad para la fermentación y la producción de biogás, sino también porque ofrecen indicios sobre los orígenes de la vida.

4. CARACTERÍSTICAS DE LAS BACTERIAS METANOGÉNICAS.

Estas bacterias forman un grupo de microbios muy específicos. Son muy sensibles al oxígeno y a los óxidos. Sólo pueden usar como sustrato los compuestos orgánicos e inorgánicos más sencillos. Crecen con bastante lentitud.

La acción de las bacterias metanogénicas se ve afectada aún con una pequeña cantidad de oxígeno debido a su gran sensibilidad ante la presencia de éste.

Los investigadores han descubierto que cuando el contenido de oxígeno, en el sustrato de fermentación llega a 0.8 ml., se retardará su crecimiento.

El crecimiento y reproducción de las bacterias metanogénicas es muy lento.

Doblar su población demora de cuatro a seis días. Aparentemente el tiempo más corto para doblar una población de bacterias productoras de metano es casi de tres horas.

Diagrama de producción de biogás.

? 90% metano

? 10% bacterias y lodos

Figura Nº 3.1. Diagrama de producción de biogás.

La digestión para producir biogás es un proceso microbiano.

Se necesitan condiciones ambientales adecuadas para que los microbios correspondientes se reproduzcan y ayuden a producir el biogás normalmente. El proceso de fermentación abarca todo el procedimiento desde la carga del digestor hasta la generación del gas.

El proceso de digestión se diseñará de acuerdo a las condiciones sociales, económicas y naturales que existan en la zona.

Hay muchos procesos para tratar los diversos residuos orgánicos con distintos fines. Según los criterios señalados deben dividirse en cuatro clases:

5. DIVERSOS PROCESOS DE BIOGAS

5.l. Según la forma de alimentación.

Fermentación continua. cuando comienza la digestión normal y la producción del biogás después de cierto período, a partir de una carga inicial, se agregan materiales continuamente al digestor todos los días o cada hora y el efluente se descarga en forma simultanea en la misma cantidad en que entra el material. De esta manera, la fermentación en el digestor es un proceso ininterrumpido (fermentación continua.) El proceso se caracteriza por una fermentación constante, una producción uniforme de gas y facilidad de control; y es el que se aplica comúnmente en zonas con materias residuales ricas y digestores de tamaño grande y mediano.

Fermentación semicontinua. La primera carga consta de gran cantidad de materiales. Cuando va disminuyendo gradualmente el rendimiento de gas, se agregan nuevas materias primas y se descarga el efluente regularmente en la misma cantidad,

Fermentación por lotes. Los digestores se descargan con material en un solo lote. Cuando el rendimiento de gas decae a un bajo nivel después de un periodo de fermentación, se vacían los digestores por completo y se alimentan una vez más. Este proceso es el más común en las investigaciones sobre biogás para descubrir la relación entre la fermentación y la producción de gas.

5.2. Según la temperatura para la producción de biogás.

Fermentación Termofílica. la fermentación termofílica necesita una temperatura de 51ºC a 55ºC y se caracteriza por una digestión rápida, alto rendimiento de gas (m3 gas/m3 carga*día) y un corto tiempo de retención. Este proceso se emplea para eliminar excretas y otros residuos por sus buenas características de desinfección. Los residuos de las destilerías son adecuados para este tipo de fermentación.

Fermentación Mesofilica. la temperatura de la fermentación mesofilica va de 28ºC a 35ºC. Comparada con la fermentación termofilica, la descomposición de la carga es lenta y hay menor consumo de energía. Este proceso es de uso generalizado en todo el mundo.

Fermentación a temperatura ambiente. la temperatura de la fermentación varía según la temperatura de la tierra, la que se relaciona con la temperatura atmosférica, de manera que el rendimiento de gas fluctúa marcadamente según la estación. Este proceso tiene la ventaja de exigir una estructura simple del digestor y una baja inversión.

5.3. Según las etapas de fermentación.

Fermentación en una sola etapa. la digestión en un solo depósito de fermentación se denomina fermentación en una sola etapa. Se caracteriza por tener una estructura simple, ser de fácil operación y bajo costo.

Fermentación en dos etapas y más. esto indica que la fermentación ocurre en dos o más depósitos de fermentación. El material de la carga primero se degrada y produce gas en la primera etapa; el efluente de la primera etapa sufre un nuevo proceso de digestión en la segunda etapa. Con ese mismo principio pueden construirse digestores de tres o cuatro etapas. Los digestores de etapas múltiples se caracterizan por un largo periodo de retención, buena descomposición de la materia orgánica y una alta inversión de capital.

3.6. MATERIAL DE CARGA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

Los microbios metanogénicos deben consumir nutrientes continuamente durante la fermentación a fin de seguir multiplicándose y generando biogás.

La base material para la producción de biogás es contar con suficiente material de carga, ya que este es el requisito más importante para el proceso de digestión.

Es preciso pues conocer las materias, primas adecuadas para el proceso de digestión.

3.6.1. Propiedades y clasificación de los materiales de carga.

Según la diferencia en la relación carbono / nitrógeno de estos sustratos, pueden dividirse en general en dos tipos a saber: las materias primas ricas en nitrógeno y las que lo son en carbono.

Casi toda la materia orgánica puede emplearse en la carga,

En el campo la carga estará compuesta de los residuos de los cultivos (tallos y pajas) y residuos humanos y animales.

i. Materias primas ricas en nitrógeno. se trata principalmente de residuos humanos y animales. Se caracterizan por, principalmente, su alto tenor de nitrógeno, mayor velocidad de biodegradación y generación de gas durante la fermentación.

ii. Materias primas ricas en carbono. los residuos agrícolas, como diversos tallos y pajas, pertenecen a esta categoría. Sus características principales son: un mayor tenor de carbono y una generación de gas más lenta en el proceso de digestión.

3.6.2. Propiedades de las materias de carga comunes para la producción de biogás

Hay distintos tipos de materias de fermentación para producir biogás y cada una presenta sus propias características de generación metanogénica (incluso tasa de producción relativa a la carga y velocidad de producción.) Según las características de las materias primas es posible estimar el rendimiento de gas de la materia prima y la factibilidad de aplicar la fermentación como técnica.

Sin embargo el rendimiento de gas varía según la calidad de la materia prima y las condiciones de su fermentación. Para una misma clase de materia prima en diferentes zonas se producirá un rendimiento distinto. Y también influirá en alto grado la temperatura de la fermentación usando las mismas materias primas. (Ver cuadros.)

Cuadro Nº 3.1

Promedio M rendimiento de gas para distintas materias (concentración de

6%) M3 /Kg.TS(sólidos totales.)

Estiércol de

vaca Estiércol de

cerdo Excretas

humanas Pasto

verde Paja de

arroz Chala

Promedio estimado 0.205 0.373 0.376 0.409 0.442

Fuente: 4.

3.6.2.1. Rendimiento de gas relativo a la materia prima.

Diferentes materiales tienen una distinta tasa de generación de gas. En general las materias primas ricas en carbono producen más gas que las ricas en nitrógeno, es decir el rendimiento de diversos residuos agrícolas es más alto que el de los excrementos, según se aprecia en los cuadros Nº 11 y Nº 2.2. Se advierte del cuadro Nº 2,1 que los tallos de maíz (chala) rinden el máximo, con hasta 0.442m3 de gas por kg (TS) en tanto que el estiércol de vaca presenta la más baja proporción, con solo 0.205 m3 de gas por Kg. (T S).

Cuadro Nº 3.2

Rendimiento de gas con materiales empleados comúnmente a distinta temperatura

Materiales Mesofilico (3 5ºC) Ambiente (8-25ºC)

Estiércol de Cerdo 0.42 0.25-0.30

Estiércol de vaca 0.30 0.20-0.25

Excretas humanas 0.43 0.25-0.30

Paja de arroz 0.40 0.20-0.25

Pasto verde 0.44 0.20-0.25

Fuente: 4.

3.6.2.2. Velocidad de la producción de gas.

En cuanto a las diferencias por distinta composición de las cargas, mientras más proporción haya de materiales que los microbios puedan degradar y utilizar para formar metano, mayor será la velocidad de producción de gas y a la inversa. Es más rápida la producción de gas a partir de excretas (materias primas nitrogenadas), que de las pajas y materias vegetales (ricas en carbono), como se ve del cuadro Nº 2.3. Mientras en los primeros diez días de fermentación las excretas generan 34.4% a 46% del total de gas producido, materias vegetales y pajas solo aportan 8.8%. A los 30 días, el rendimiento de las excretas presenta de 86.2% a 94. 1 % mientras que el de la paja y material vegetal es de solo 53.7%.

Según las distintas tasas y velocidades de producción de gas a partir de distintas materias primas, será necesario usar una proporción adecuada de materiales de bajo y alto rendimiento y de distinta velocidad de generación. De esta manera se podrá conseguir tanto un rendimiento mayor de gas como una generación constante durante la fermentación.

Cuadro Nº 3.3

Velocidad de generación de gas a partir de materiales de uso común.

Días de

fermentación 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tasa de

generación

(m3 /Kg.TS)

Materiales Porcentaje del volumen total de gas Generado (%)

Excretas

humanas 40.7 81.5 94.1 98.2 98.7 100 0.478

Estiércol de

cerdo 46.0 78.1 93.9 97.5 99.1 100 0.405

Estiércol de vaca 34,4 74.6 86.2 92.7 97.3 100 0.300

Pasto verde 98.2 100 0.410

Paja de trigo 8.8 30.8 78.3 88.7 93,2 96.7 98,7 100 0,435

Fuente: 4.

3.6.3. Proporción de los componentes.

Los microbios necesitan diversas cantidades de nutrientes, especialmente carbono, nitrógeno y fósforo. De allí que aparte de las propiedades de las materias empleadas, sea necesario también aplicar una relación adecuada entre el carbono y el nitrógeno. (C:N).

Hasta ahora hay diversas teorías en cuanto a la relación C:N que combina entre los componentes de la carga. Algunos sostienen que la relación no puede ser tan estricta en la fermentación para producir biogás, pero se reconoce en general que es aceptable una relación de C/N de 20 30: 1.

Sobre la base del contenido de carbono y nitrógeno en las materias primas puede calcularse la relación C:N aplicando la formula siguiente¬:

Donde:

C = porcentaje de carbono contenido en la materia prima.

N = porcentaje de nitrógeno contenido en la materia prima.

X = peso de la materia prima.

K = C/N de la mezcla de materias primas.

Cuadro Nº 3.4

Relación carbono a nitrógeno de las materias primas empleadas corrientemente.

Materias primas Carbono de las

materias primas

por peso(%) Nitrógeno de

materias primas por peso(%) Relación carbono a

nitrógeno (C/N)

Paja seca de trigo 46 0.53 87:1

Paja seca de arroz 42 0.64 67:1

Chala 40 0.75 53:1

Hojas secas 41 1.00 41:1

Tallo M fríjol de 41 1.30 32:1

Soya

Pasto 14 0.54 27:1

Tallos y hojas 11 0.59 19:1

Estiércol fresco de 16 0.55 29:1

Oveja

Estiércol fresco de 7.3 0.29 25:1

Vaca

Estiércol fresco de 10 0.42 24:1

Caballo

Estiércol fresco de 7.8 0.60 13:1

Cerdo

Excretas humanas 2.5 0.85 2.9:1

Fuente: 4.

Por ejemplo, con una proporción de excretas humanas de 100kg, estiércol de cerdo de 100Kg y alguna paja de arroz, ¿Cuál será esta cantidad de paja para hacer una combinación de materias primas en que la relación C: N sea de 2 5:1?

Suponiendo que la cantidad de paja de arroz necesaria es X3 Kg., se obtiene la siguiente formula a partir del cuadro anterior:

Excretas humanas C1 = 2,5% N1= 0.85%

Estiércol de cerdo C2 = 7,8% N2 = 0.6%

Paja de arroz C3 = 42% N3 = 0.63%

Si se incorporan los datos señalados en la formula se obtiene:

3.6.3. l. Dilución de la carga.

Para la fermentación en la producción del biogás, es necesario diluir la carga apropiadamente, lo que implica mantener un porcentaje entre los sólidos totales (TS) en el líquido total de fermentación.

No es útil para la producción de gas que la carga esté demasiado concentrada o demasiado diluida. Con bajas concentraciones la tasa de aprovechamiento de la carga sería alta, pero escasa la producción de gas. Por el contrario, con una alta concentración se obtendrá gran cantidad de gas pero una baja tasa de utilización de la carga.

El contenido sólido total de materias primas en fermentación aparece en el cuadro Nº 2.5. En el cuadro Nº 2.6 se estima la cantidad de excretas humanas y animales. Sobre la base de los sólidos totales de la carga pueden calcularse la concentración de los lodos, la cantidad de agua que habrá que agregar y las proporciones de los componentes, como se muestra a continuación:

Cuadro Nº 3.5

Contenido de sólidos totales (en seco) en materiales de fermentación comúnmente utilizados.

Materiales Contenido seco (%) Contenido hídrico (%)

Paja de arroz seca 83 17

Paja de trigo seca 82 18

Chala 80 20

Pasto verde 24 76

Excretas humanas 20 80

Estiércol de cerdo 18 82

Estiércol de vaca 17 83

Orina humana 0.4 99.6

Orina de cerdo 0.4 99.6

Orina de vaca 0.6 99.4

Fuente: 4.

Cuadro Nº 3.6

Producción de residuos humanos y animales (estimación).

Productor Peso (Kg.) Producción

diaria de

estiércol (Kg.) Producción

diaria de orina

(Kg.) Producción

anual de

estiércol

(Kg.)

Cerdo 50 6 15 2190

Vaca 500 34 34 12410

Caballo 500 10 15 3650

Oveja 15 1.5 2 548

Ave 1.5 0.1 0 36.5

Humano 50 0.5 1 182,5

Fuente: 6.

3.6.4. Cálculo de los sólidos totales o concentración de una materia prima única de fermentación

Se puede emplear la siguiente fórmula:

M0 =

Donde:

Mo = Concentración de sólidos(%).

W1 = Peso de la muestra.

W2 = Peso de la muestra a 105ºC.

Nota: los sólidos totales de la carga (TS), pueden calcularse calentando una muestra a 105ºC hasta obtener un peso estable.

Por ejemplo si se calientan 10g de estiércol de cerdo a 105ºC en un horno, el peso estable de la muestra será de 1.8g. Entonces.

3.6.5. Cálculo de la concentración de sólidos totales para una materia prima de fermentación compuesta.

Puede adoptarse la siguiente fórmula:

Donde:

Mo = Concentración total de sólidos en una materia prima compuesta %

X1= Peso de la materia prima.

M1 = Concentración total de sólidos para una sola materia prima (%)

En el supuesto que:

Residuos humanos X1 = 100Kg. M1=20%

Estiércol de cerdo X2 = 100 Kg. M2= 20%

Paja de arroz X3= 98.9Kg. M3= 90%

Entonces según la formula se obtiene:

Mo = 43.2%

Es decir, la concentración total de sólidos en la materia prima compuesta es del 43.2% en tanto que el agua añadida a ella representa un 56.8%.

3.6.6. Cálculo de la cantidad de agua en la materia prima compuesta.

Sí se necesita preparar un lodo de fermentación con una concentración total de sólidos de 10% empleando la materia prima compuesta mencionada ¿Cuánta agua se necesitará?

Según la definición de concentración de sólidos totales

Donde:

W2= peso de los sólidos totales en estado seco

W1 = peso de los Iodos totales de digestión.

W= 991.2Gg.

Con el cálculo anterior apreciamos que lodo de fermentación con un contenido de sólidos totales del 10% y una relación C:N de 25:1 puede formarse de 1 OOKg de residuos humanos, 1 OOKg de estiércol de porcino, 98.9 Kg. de paja de arroz y 991.2 litros de agua.

3.5.7. Cálculo de las proporciones de las materias primas compuestas.

Este cálculo debe realizarse así:

Por ejemplo, si las condiciones conocidas son:

Un digestor de 6m3.

El volumen de Iodos de fermentación igual al 80% del total.

Total de Iodos de sólidos de lodo de digestión igual al 80% del total.

Total de sólidos del material de arranque igual al 10%.

La cantidad del material de arranque es igual al 30% del peso total de los lodos de digestión.

La unidad que se usa para medir el lodo del digestor es igual a una tonelada/m3 de volumen.

Se emplean el estiércol de cerdo y la paja de arroz como material de carga. Supóngase que el volumen del lodo mixto de digestión es igual a uno.

Pregunta: ¿Cuánto estiércol de cerdo, paja de arroz, material de arranque y agua debe agregarse por peso?

Conocidos:

El estiércol de cerdo m, = 15%

La paja de arroz m2 = 64%

El material de arranque m3 = 8%

Los porcentajes de C y N son:

C1 = 7.8%, C2 = 42%, N1 = 0.6%, N2 = 0.63%

Supóngase que:

X1 es la cantidad e estiércol necesaria.

X2, es la cantidad de paja necesaria.

X3, es la cantidad de material de arranque necesario.

W1 es la cantidad de agua necesaria.

Calcúlese:

M0 = 10%

X3 = (X1+X2) (30%)

10%=

480= 0.174(3.646X2)+0.66X2 = 0.63X2 + 0.66X2

X2= 369 Kg

X1 = (3.646) (369)= 1345 Kg.

W1 = 4800 – 1345 – 514 – 369 = 25721

Es así como sobre la base de las exigencias en materia de proporción de materias primas, se obtiene los siguientes resultados:

Estiércol de cerdo: 1345Kg.

Paja de arroz : 369Kg.

Material de arranque: 514Kg,

Agua: 2572 litros.

Relación de estiércol a paja:

Los excrementos humanos, más el estiércol animal, más los desechos de los cultivos, son las principales materias de fermentación en zonas rurales.

Es necesario conocer la proporción de estiércol, paja y tallos en el contenido sólido total cuando se calcula la concentración total de sólidos ya que distintas proporciones de excretas y residuos agrícolas tendrán diferentes efectos sobre la fermentación.

El estiércol es un factor importante que influirá sobre la producción de gas cuando se prepara la carga de arranque del digestor en un proceso de fermentación semicontinua.

En general la relación debe ser de 2:1 ó por lo menos de 1: 1.

A mayor cantidad de excrementos, tanto mas rápido será el arranque del digestor.

3.7. CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LA FERMENTACIÓN METANOGÉNICA.

3.7.1. Ambiente estrictamente anaeróbico.

Las bacterias metanogénicas son muy sensibles al oxígeno y morirán expuestas al aire aunque no sea más que por un par de minutos.

Será difícil la digestión cuando subsista aún el menor rastro de oxígeno. El digestor sellado crea un ambiente anaeróbico para los microbios metanogénicos.

Al cargar la materia prima se introduce gran cantidad de oxígeno al digestor, pero durante el período inicial del digestor sellado, el oxígeno disuelto se agota rápidamente por efecto de las materias anaeróbicas, por lo tanto si el digestor se encuentra perfectamente sellado, es innecesario ajustarlo.

3.7.2. Función de los materiales de arranque.

La degradación de los residuos mediante el proceso general de fermentación metanogénica exige como material de arranque la presencia de un grupo de bacterias específicas (anaeróbicas), que se hallan en gran cantidad en los excrementos humanos, animales y otras materias primas de fermentación, después de cierto período de fermentación.

Si entran en el digestor pueden generar el gas con mucha velocidad.

El contenido de metano en el biogás producido en el sexto día de la fermentación puede ser más del 50% y puede subir aceleradamente.

En el 33avo día de la digestión, el contenido de metano puede llegar al 70% o más.

Esto muestra la importancia de introducir cantidad de material de arranque para la generación del metano.

Las bacterias de fermentación metanogénicas se encuentran en la naturaleza y en gran cantidad en las aguas estancadas.

Se han agregado todos de estancamiento de aguas, todos de mataderos, y fondo de estercoleras u otros digestores como materiales de arranque y se les ha mezclado con material de carga fresca con buenos resultados.

Cuadro Nº 3.7.

Efectos del material de arranque sobre el rendimiento del gas.

Material de

Carga Material de

arranque

(%) Rendimiento del

gas

(ml) Contenido

de metano

(%) Rendimiento de gas

(ml/gr de re-

siduos humanos)

Residuos

humanos

50gr 10 1435 48.2 28.7

Residuos

humanos

50gr 20 4805 56.4 96.1

Residuos

humanos

50gr 50 10093 66.3 201.86

Residuos

humanos

50gr 150 16030 68.7 320.6

Fuente: 8.

Material de arranque: Lodos del digestor (residuos de la anterior digestión). Como se puede apreciar en el cuadro Nº 2.7 es evidente que la cantidad de material de arranque tiene gran influencia sobre la producción de gas. Además, distintos materiales de arranque se traducirán en una diferente producción de gas.

3.7.2.1. Fuentes de los materiales de arranque.

Los microbios metanogénicos se encuentran en las aguas servidas, en los Iodos de] fondo de los estanques y en los corrales, donde podremos encontrar en gran cantidad estiércol regado en el suelo.

En las zonas rurales, el material de arranque proviene de muchas fuentes, pero la forma mas conveniente es utilizar el lodo del propio digestor.

3.7.2.2. Cantidad del material de arranque.

Cuando el lodo de alcantarillado se emplea como no contaminado, la cantidad de material de arranque debe representar el 10 a 15% de la carga. Cuando no se emplea el lodo del digestor la cantidad debe ser más del 30% de la masa total de fermentación. Si se empleara el lodo del digestor se necesitaría más del 10% del total.

Si se emplea mayor proporción de tallos y pajas en la carga, se necesitará mayor cantidad de material de arranque.

3.7.3. Temperatura.

La temperatura tiene suma importancia para la digestión metanogénica. Desde cierto punto de vista desempeña un papel crucial en la producción de gas.

Dentro de ciertos límites, mientras más alta sea la temperatura, más alto será el rendimiento de gas.

Cuadro Nº 3.8.

Temperatura y producción de gas del material de carga.

Material de Carga Temperatura (ºC) Producción de gas

(m3/ m3xdia)

Paja de arroz +

Estiércol porcino +

Pastos. 29-30 0.55

Paja de arroz +

Estiércol porcino +

Pastos. 24-26 0.21

Paja de arroz +

Estiércol porcino +

Pastos. 16-20 0.10

Paja de arroz +

Estiércol porcino +

Pastos. 12-15 0.07

Paja de arroz +

Estiércol porcino +

Pastos. Menos de 8 Escasa

Fuente: 1.

Las bacterias que generan metano tienen sus propias tolerancias de temperatura, de manera que la temperatura de fermentación varía.

Generalmente se usan de 45 60′C para la fermentación termofilica (fermentación que se da a temperatura elevada) y de 30 45′C para la fermentación mesofilica (fermentación a término de temperatura media.)

Los pequeños digestores rurales suelen funcionar a temperatura ambiente; la temperatura ambiental (o del aire) y las estaciones Influyen en la temperatura de fermentación, de manera que ese proceso se denomina fermentación a temperatura ambiente. Según estudios realizados en los países que han venido haciendo de esta tecnología una práctica cotidiana aplicada a las zonas rurales, la temperatura del lodo del digestor varía en gran proporción según la influencia de la temperatura ambiental.

a) El nueve de julio, cuando la temperatura llegó a su punto mas bajo, la del lodo del digestor también llegó a su punto mínimo (sólo de 11 a 12′C.)

b) El siete de enero, en cambio, cuando se registró la temperatura más alta del año, el lodo alcanzó los 21 a 24′C. Por las diferencias de temperatura entre enero y julio, los rendimientos de gas fueron también bastante distintos.

En general, la producción de gas de los pequeños digestores rurales llega a su mínimo en julio (época de mayor frío, Fuente: 3), de 0.08 a 0. 1 m3/m3 3 de digestor; en enero llega al máximo, de 0.2 a 0.3 m3/m3 de digestor, por la alta temperatura de la digestión.

Además hay una estrecha relación entre la temperatura del aire, la temperatura de la tierra y la temperatura del digestor.

El digestor o el lodo de fermentación se ve afectado directamente por la temperatura de la tierra, que a su vez se altera con la de la atmósfera. Mientras más profundo bajo la tierra esté el digestor, menos variará la temperatura de los Iodos y se ensanchará la diferencia entre la temperatura de la atmósfera y la del digestor. Por el contrario mientras más cerca esté el digestor de la superficie, mayores serán las variaciones en la temperatura de los Iodos y más se acercarán a la temperatura del aire. Así pues, en los meses de calor, mientras más cerca esté el digestor de la superficie de la tierra, tanto mas alta será la temperatura del lodo y lo inverso sucederá en la época de fío.

Si un digestor se encuentra a un metro bajo la tierra, la temperatura circundante variará lentamente y sufrirá escasa influencia de la temperatura atmosférica. Cuando un digestor se encuentra a 1,9m bajo la superficie de la tierra, la temperatura de la tierra será casi igual a la del digestor.

Mientras más alta sea la temperatura más rápida será la descomposición.

Demoraría 60 días digerir por completo el estiércol de vacuno a una temperatura media de 3 33ºC 70 días para los residuos de cosecha y de 50 a 60 días para una mezcla de ambos. Si la temperatura se estabiliza en 32.2 a 37.8ºC, el periodo de fermentación del estiércol de vacuno, no excederá de los 28 días y será de menos de 45 días para los residuos de cosecha,

Las pruebas han demostrado que dentro del rango de 15ºC a 35ºC la producción total de gas por tonelada de material de carga, es casi igual para el período de fermentación. El período de fermentación es de 12 meses a 15ºC, en tanto que es un mes a 35ºC, es decir, que la producción total de gas de un mes es igual a la de 12 meses.

Cuadro Nº 3.9

Temperatura y período de fermentación.

Temperatura 8 10 15 20 27 32

ºC

Duración 120 90 60 45 30 20

(días),

Fuente 8.

Una variación repentina en la temperatura de fermentación tendría evidentemente gran efecto sobre la producción de gas. En general, la variación de +/ 5º C hará bajar abruptamente la producción de gas e incluso la hará detenerse. Pero cuando se recupera la temperatura, la fermentación proseguirá. Cuando el digestor está lleno, será mayor el efecto de la temperatura sobre el proceso de generación del biogás.

Si se aumenta la temperatura abruptamente a 50ºC en un digestor que normalmente fermenta a 35ºC, la producción de gas caerá abruptamente.

3.7.4. Presión interna del digestor.

La presión dentro del digestor que ejerce el agua, cambia de acuerdo con la producción de gas. A continuación se muestran los siguientes resultados:

Cuadro Nº 3.10

Presión interna y producción de gas.

Presión interna del digestor

(cm de columna de agua) Producción de gas

0 179.59

20 191.66

60 212.09

Fuente: 4.

3.7.5. Agitación.

Sin agitar el lodo de fermentación, se separa en tres capas nítidas en los digestores pequeños: la lama de la parte superior, el líquido en el medio y el fango en el fondo. Esta estratificación no fomenta la producción de gas y debe considerarse la necesidad de mover la masa.

Las principales funciones de la agitación son romper estas capas y promover una distribución uniforme del material de carga y arranque, extender la superficie de contacto de las bacterias con el material de carga, acelerando así la digestión, y por consiguiente, aumentando la producción de gas y liberando en forma fácil el C02 y el metano que pueda producirse a partir del lodo.

Para algunos digestores que cuentan con un sistema de calefacción, la agitación puede ser necesaria para distribuir el calor en el digestor.

Actualmente se emplean tres tipos de agitadores:

a) Agitador mecánico. se instala dentro del digestor y es adecuado para aquellos digestores que emplean estiércol o una mezcla de excrementos y paja molida, como material de carga.

b) Agitador líquido. se remueve cierta cantidad de efluente de la salida del digestor con una bomba (manual o eléctrica) u otros dispositivos manuales y se vuelve a poner en la toma de entrada para agitar el líquido fuertemente con ésta corriente.

c) Agitador a gas. el biogás retirado del digestor se vuelve a colocar en el digestor en forma continua desde el fondo hacia arriba, para así agitar el lodo de fermentación.

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11 comentarios to “TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: MECANISMOS Y PROCESOS PRODUCTIVOS DEL BIOGÁS”

  1. PABLO ALBERTO TORREALVA AZURIN Says:

    hola a todos soy un biologo y actualmente estudio veterinaria quisisera saber quien me puede ayudar o guiar para construir un biodigestor utilizando estiercol de perro para la produccion de bio gas

  2. carlo daniel Says:

    desearia saber sobre el biogas ya que estoy relizando un estudio de esto para la universidad con frutas de desecho pero no logro obtener los resultados deseados

  3. carlos daniel valdivia bellido Says:

    estuve revisando su investigacion y yo estoy relizando un trabajo similar por los diversos desechos que descarta el SENASA aca en ica y que provoca demasiado daño

  4. Roberto Says:

    Estimados.
    Amplio información del DIA 6 de experimentación:
    DIA 6: Sábado 21/02/09 a las 8:00 hs, Tº ambiente 28ºC, Tº reactor 40ºC, presión reactor biogás, 90 gr/cm² (90 milibares).

    Se hizo circular agua caliente por la serpentina por tres horas elevando la temperatura a 43ºC a las 17:00 hs, registrando una presión de gas de 120 milibares.

    Luego se realizaron 10 bombeos manuales de gas, desde la válvula superior del líquido en zona de gas hasta ingresar por la parte inferior del líquido haciendo burbujear internamente la materia orgánica (recirculación de su propio gas).

    Considerando la presión de 120 milibares, máxima presión del domo registrada a la fecha, a las 18:00 hs se realizó una descompresión, registrándose una medición de consumo de gas de 3 litros. Su nueva lectura en la columna de agua, biogás quedó en 6 gr/cm²; 6 milibares.

    Consumo acumulado en gas: 3.5 litros

    Fue interesante experimentar por primera vez la “voladura de llama entre el celeste y azul” provocada en escasos segundos, lo que significa que comienza a aumentar la proporción de metano.

    Cordialmente. Roberto

  5. Roberto Says:

    Estimados.

    He fabricado un biodigestor discontinuo con domo variable deacuerdo a la generación de gases, experimental para producción de bio a partir de excretas de perros…desde el primer dia mantengo una presión interna de 110 milibares (110 gr/cm²)..Dado la excesiva fuerza que ejercia, decidí descomprimir pasando el sistema por un regulador de presión y un medidor volumetrico a 20 gr/cm² que es la presión de una instalación residencial de baja presión…Mantengo una temperatura interior de 40ºC….aún no ha bajado para estar dentro de la temperatura mesofílica..MI PREGUNTA ES: ¿ESCONVENIENTE MANTENER ESA PRESIÓN INTERNA EN EL BIODIGESTOR???…todos los dias tomo las lecturas le temperatura ambiente, interna del biodigestor y presión de gases..estoy en el 6 sexto día…desde el cierre del reactor (biodigestor)…gracias.Roberto

  6. Jilmer Benites Reyes Says:

    Para felicitarlos por el trabajo muy interesante, soy un apasionado de las energias limpias y en este momento estoy abocado a contribuir con un granito de arena a mejorar nuestro medio ambiente, es por eso que estoy empecinado a generar biogas a partir de estiercol de vacas, y quisiera saber, para obtener un metro cúbico de biogas, cuanto de estiercol de vaca necesito? , y me gustaria mucho que ustedes me asesoren en este trabajo… estare muy agradecido de antemano, el proyecto es para dar luz a una finca ubicada en el valle del Bajo Piura en Piura Perú.
    Mi email de contacto es: jilmer_abr@hotmail.com

  7. Alejandro Says:

    I would like to have more informations as posible.
    Thansk

  8. alejandro Says:

    muy interesante me gustaria tener mas informacion ,muchas gracias

  9. Nayeli Says:

    Hola

    el trabajo esta muy bien, pero no se ven las formulas, creo que debería arreglar eso.

    gracias.

  10. Al Says:

    Buenas.
    Los estudios no los realizamos los redactores y encargados del blog, sino que son donados por personas que quieren compartir sus trabajos, memorias, etc.; por lo que nos sería bastante difícil responder su solicitud. No obstante, le invito a que nos envíe su trabajo una vez finalizado para que sirva a otras personas en el futuro.

    Gracias

    ¿Cómo participar? Ver en página principal…

  11. esteban pacheco cordova Says:

    mire estaba revisando su investigacion y la verdad esta interesante pero seria interezante que haga una investigacion si se puede producir metano a partir de arbusto o cualkier tipo de plantas aromaticas, yo estoy haciendo estudio acerca del oregano pero me falta unos datos bueno espero me responda gracias


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