Adaptación de un biodigestor para su uso en instalaciones residenciales

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CAMPUS ARAGÓN. ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR PARA SU USO EN INSTALACIONES RESIDENCIALES. T. QUE. PARA. E. S. I. OBTENER. S. EL. TITULO. DE. : INGENIERO. MECÁNICO. P. R. E. S. E. N. ELECTRICISTA. T. A N:. MENDOZA ZÚÑIGA JESÚS VÁZQUEZ VÁZQUEZ ERIC. ASESOR ING. MOISÉS CERVANTES PATIÑO. MÉXICO 2012.

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(3) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. JUSTIFICACIÓN. Los desechos orgánicos (estiércol de vacas) que la granja lechera de Don Pepe, ubicada en el municipio de Tecámac, Estado de México, genera pocas veces son utilizados de una manera eficiente. Estos desechos podrían ser usados para la obtención de Biogás a través de un biodigestor, proceso que nos dará como resultado la generación de gas metano, que es un combustible natural y económico con un nivel muy bajo de emisiones contaminantes, ya que el metano cuando no se quema es 20 veces mas contaminante que el C0 2 y al quemarse se produce C02, que se puede utilizar de forma segura y que además podemos aprovechar al máximo los desechos generados.. OBJETIVOS. Realizar el diseño del biodigestor y su adaptación para su uso en las instalaciones de la granja de manera eficaz y desarrollando una tecnología simple y funcional que nos permita aprovechar los desechos y convertirlos en energía que pueda abastecer a la granja de forma continua, optimizando los procesos operativos..

(4) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Índice ÍNDICE. INTRODUCCIÓN. 5. CAPITULO 1 BIOMASA. 9. 1.1 ¿Qué es la Biomasa?. 10. 1.2 Tipos Biomasa. 13. 1.3 Ventajas de la Biomasa. 20. 1.4 Desventajas de la Biomasa. 22. 1.5 Métodos de conversión de la biomasa en energía. 22. 1.6 Términos relacionados con biomasa. 24. 1.7 Etapas de la producción del Biogas. 27. CAPITULO 2 BIODIGESTOR. 34. 2.1 ¿Que es un Biodigestor?. 35. 2.2 Clasificación de Biodigestores. 36. 2.3 Diseño y Fabricación del Biodigestor. 44. 2.3.1 Materiales complementarios para la fabricación del biodigestor. 53. 2.3.2 Ubicación. 54. 2.3.3 Almacenaje. 54. 2.4 Ensamble del Biodigestor. 55. CAPITULO 3 USO DEL BIOGAS EN INSTALACIONES RESIDENCIALES. 60. 3.1 Elementos necesarios para la instalación. 62. 3.2 Análisis económico para su uso y generación. 66. 3.3 Estudio económico. 71.

(5) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Índice 3.4 Beneficios adicionales. 74. CONCLUSIONES. 75. GLOSARIO DE TERMINOS. 78. FUENTES DE INFORMACIÓN. 80.

(6) INTRODUCCIÓN.

(7) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO. Introducción. Durante un seminario sobre energías alternativas tuvimos la oportunidad de conocer los biodigestores, las características, beneficios y restricciones que pueden tener a pequeña y gran escala.. Teniendo en cuenta que un proyecto de energía alternativa siempre es visto con recelo, tomamos la decisión de investigar y empezar a recabar información que hiciera mas solido nuestro proyecto, poco a poco fuimos encontrando datos como el alza de combustibles convencionales como la gasolina, diesel, gas L.P. y gas natural. Por lo que cada vez nos convencimos mas de que este proyecto se desarrolla sin problemas.. A pesar de que hay muy poco bibliografía en libros sobre este tema pudimos encontrar reportajes, páginas, blogs y otras opciones en internet de donde obtuvimos mucha información, además nos dimos cuenta de que este tipo de proyectos es muy importante a nivel mundial y que tendrá un desarrollo mas importante en los próximos años.. Chinas es el país donde se producen más biodigestores, ya que muchas familias los tienen para satisfacer sus propias necesidades de energía. En Centro América también se ha dado un desarrollo importante de este tipo de tecnología, sobre todo en biodigestores caseros.. Actualmente en México la producción de energía mediante biodigestores es muy pobre y está enfocada en su mayoría a las grandes granjas de cría de ganado bovino y porcino así como a ingenios azucareros que utilizan el bagazo de la caña.. Según datos del Censo Agrícola Ganadero y Forestal 2007, se tienen alrededor de diez millones de cabezas de ganado y la mitad de estas se encuentran en granjas de “traspatio”, es decir granjas pequeñas con no más de diez cabezas y la mitad restante se encuentran en granjas grandes con los recursos necesarios para implementar un biodigestor. El Censo también menciona que para el ganado bovino se contabilizaron veinticuatro millones de cabezas y únicamente dos millones aproximadamente se encuentran en granjas lecheras con recursos para una planta de biodigestor. 6.

(8) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO. Introducción. Pocas granjas pequeñas han optado por los biodigestores, esto debido a que el costo inicial es alto y se requiere mucho espacio para instalarlo, se prefiere dejar este espacio para el ganado. Estos motivos dan como resultado que el estiércol de ganado en las granjas pequeñas quede esparcido en terreno abierto y se mezclen con tierra y pasto dificultando su recuperación. Además de generar otros inconvenientes, como la contaminación de mantos acuíferos y la generación de plagas, como roedores, moscas, etc. Estos problemas son resueltos con la implementación de un biodigestor.. Nuestro objetivo al inicio del proyecto fue diseñar un biodigestor lo suficientemente económico para que las granjas pequeñas y medianas no industrializadas puedan solventar el gasto de la instalación y operación; además de generarle otros beneficios directos como, como la reducción de malos olores y plagas derivados del estiércol del ganado, la venta del residuo del biodigestor como abono y la generación del biogás para consumo particular, e indirectos eliminar la dependencia del servicio del gas L.P.. En el capítulo 1 explicamos que es la biomasa, el biogás y qué relación tienen con los biodigestores, así como las etapas de producción de la misma y los requisitos para obtener de forma adecuada el biogás. Además de ofrecer datos que demuestran la viabilidad de este tipo de proyectos en granjas pequeñas y medianas.. En este capitulo se muestran las características de cada tipo de biomasa y qué tipo de biogás se genera, dando a conocer datos estadísticos a nivel mundial y a nivel nacional sobre desarrollos de este tipo de tecnologías,. Además mencionamos la forma de producción del biogás y factores externos como la temperatura, son muy importantes, así como la mezcla que es necesaria para obtener biogás, los tiempos de retención y de generación del biogás.. En el capítulo 2 mencionamos los tipos de biodigestor mas conocidos y utilizados, además de enlistar sus características, ventajas y desventajas para la producción de biogás. 7.

(9) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO. Introducción. En este capítulo seleccionamos el tipo de biodigestor que seleccionamos para nuestro proyecto y explicamos las partes del biodigestor, cámara de precarga, digestor y cámara de descarga, así como la función de cada una y las dimensiones necesarias según la cantidad de materia orgánica que se tiene.. Las válvulas son un elemento importante a considerar y en este capítulo ejemplificamos dos modelos diferentes y un diagrama de cada una para su mejor conexión.. En el capítulo 3 veremos la implementación de nuestro proyecto directamente en la granja seleccionada, mencionando la distribución actual del terreno y haciendo la propuesta de donde y como instalar el biodigestor, además de las conexiones necesarias para utilizar el biogás generado.. Debido a que la producción de biogás sobre pasa por mucho el consumo de una familia proponemos una solución adecuada para evitar el desperdicio del biogás y enlistamos la mejor forma de conectar y aprovechar el combustible en su totalidad.. Hacemos una semblanza de la granja y los problemas a los que se enfrentan con los desechos orgánicos generados por el ganado que tienen, explicamos las soluciones a cada uno.. 8.

(10) CAPITULO 1 BIOMASA.

(11) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa CAPITULO 1 BIOMASA. 1.1.. ¿QUÉ ES LA BIOMASA?. La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación en materia orgánica; esa energía la podemos recuperar por combustión directa o transformando la materia orgánica en otros combustibles. (Aniorte, 1991). Algunas aplicaciones bien conocidas de la biomasa incluyen la conversión de leña y residuos agrícolas y forestales por combustión directa para producir calor, vapor y/o electricidad, la conversión de caña de azúcar y granos por fermentación para producir alcohol combustible, la conversión de desechos orgánicos por biometanación para producir metano y bióxido de carbono (biogás), la conversión de residuos agrícolas y madereros a combustibles líquidos, sólidos y gaseosos por medio de procesos termoquímicos, y la producción de aceites vegetales que pueden emplearse como sustitutos del diesel.. Se puede señalar también que el contenido energético de la biomasa en el planeta Tierra es de 220 millardos de toneladas (2.2 X 1011 toneladas) de biomasa seca al año, equivalente a diez veces el consumo mundial de energía primaria en la superficie terrestre es equivalente (Probst, 2006). El modelo básico de captación y acumulación de la energía solar es el que llevan a cabo las especies vegetales verdes, única fuente energética renovable que conlleva asimismo un almacenamiento en forma de energía de alta calidad: la energía química. Este proceso ha mantenido la vida en la Tierra hasta nuestros días en forma de materia orgánica, que resulta ser energía solar almacenada y se denomina "energía de la biomasa" mediante la "fotosíntesis", que transforma de. 10.

(12) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa productos minerales sin valor energético, dióxido de carbono y agua, en materiales orgánicos de alta energía.. La formación de materia viva o biomasa a partir de la luz solar se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis gracias al cual se producen grandes moléculas de alto contenido energético (en forma de energía química), cuyo costo de almacenamiento es nulo y en principio, sin pérdidas. .. La originalidad de esta tecnología es el hecho de que toma prestadas del medio ambiente la energía (luz solar) y las materias primas consumidas (carbono, hidrógeno, nitrógeno, potasio y fósforo). La acción de construir unos edificios ordenados (macromoléculas de glucosa, principalmente) a partir de elementos suministrados en desorden por la naturaleza (carbono, hidrógeno, oxígeno) exige, de acuerdo a las leyes de la Termodinámica, cantidades muy importantes de energía de las cuales, la mayor parte es desechada a la atmósfera. Pero, a pesar de que el rendimiento termodinámico de la fotosíntesis es particularmente bajo, la operación resulta, no obstante, rentable, debido a la gratuidad de la energía solar y de la utilidad de los productos finales (principalmente alimentos).. Fuentes de biomasa para fines energéticos. Hay 2 tipos de materiales orgánicos generados a partir de la fotosíntesis:. Biomasa vegetal = generado a partir de la fotosíntesis Biomasa animal = producidos a través de la cadena biológica. Esta última la biomasa animal se genera a través de la biomasa residual Mientras que hoy en día se conoce como combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) no es otra cosa que "biomasa fósil". 11.

(13) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Como consecuencia de la actividad fotosintética de los vegetales, se forma una masa viviente que hemos denominado biomasa. Sin embargo, ésta es transformada posteriormente en los distintos niveles de seres vivos que conocemos. Por tanto, se puede hablar de biomasa vegetal cuando ésta se produce directamente como consecuencia de la fotosíntesis, mientras que aquélla biomasa que producen los seres que no son capaces de elaborar los productos químicos sólo con la ayuda de la energía solar, es decir, que utilizan en su alimentación la biomasa vegetal, la podríamos denominar biomasa animal.. Así pues, en un sentido amplio del término, se puede definir como biomasa al conjunto de materiales orgánicos generados a partir de la fotosíntesis o bien evolucionados en la cadena biológica. .. Los seres humanos y los animales utilizan sólo una parte de la biomasa a su disposición, constituyendo el resto un residuo en gran medida no utilizado. Incluso en gran porcentaje de la parte utilizada es devuelta a la naturaleza como residuo. Tanto el primer caso, residuos de producción, como en el segundo, residuos de consumo o transformación, son fundamentalmente orgánicos, lo que permite definir el término biomasa residual como la originada de la forma expuesta.. Finalmente, a nadie se le oculta que lo que hoy se conoce como combustibles fósiles, carbón, gas natural y petróleo, no es otra cosa que biomasa (biomasa fósil), que se produjo en determinados períodos geológicos y, una vez enterrada, bien a través de mecanismos bioquímicos o bien por condiciones físico-químicas o por. la. conjunción. de. ambos. tipos. de. acciones,. generaron. aquéllos.. Digamos como resumen que se puede definir el concepto de biomasa como el conjunto de plantas terrestres y acuáticas; sus residuos o subproductos; los residuos o subproductos derivados de la transformación de dichas plantas, bien. 12.

(14) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa por los animales que se alimentan de ellas o por los procesos tecnológicos de las industrias alimentarias1. 1.2 TIPOS DE BIOMASA. Existen diferentes tipos de biomasa que pueden ser utilizados como recurso energético. Aunque se pueden hacer multitud de clasificaciones, en esta tesis se ha escogido la clasificación más aceptada, es la siguiente: biomasa natural, residual seca y húmeda y los cultivos energéticos.  Biomasa. natural.- la biomasa natural procede directamente de la. naturaleza sin ningún tipo de intervención humana, ésta se conforma por los restos de hojas y ramas que se desprenden de los árboles de los bosques. Los restos de las podas naturales de los árboles, los árboles derribados por el viento, así como también los conos o piñas (estróbilos femeninos1) de las coníferas; constituyen ejemplos de este tipo de biomasa. Por ser generada de forma natural, no implica ningún costo en su obtención, sin embargo, su proceso de recolección y transporte, es lo que económicamente la inviabiliza en un proyecto de generación de energía.. La biomasa natural se ha constituido desde hace muchos años, como la fuente principal de combustible para la mayoría de países subdesarrollados, principalmente para las comunidades rurales, ya que por su facilidad de recolección y su libre acceso (gratis), es preferida a otras fuentes de energía. Por lo tanto, la leña obtenida mediante recolección de los bosques naturales, es un ejemplo claro de biomasa natural.  Biomasa residual (seca y húmeda).- Contraria a la biomasa natural, en este caso si hay intervención directa del hombre en su producción. Se trata 13.

(15) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa de todos los residuos que se obtienen de las diferentes actividades agrícolas y forestales y que en muchos casos se les ha considerado como desperdicio o basura, pero que tienen la característica especial, de que es utilizada para la generación de energía, tanto térmica como eléctrica, por medio de su combustión.. La biomasa residual seca se puede dividir en 3 subgrupos: biomasa residual forestal, biomasa residual agrícola y residuos de industrias agroalimentarias o de transformación de la madera. Dentro del primer subgrupo, se encuentran los restos de las principales actividades silvícolas (podas, raleos), hasta los restos de ramas tras la corta final en los aprovechamientos forestales. En el caso de la biomasa residual agrícola, se pueden considerar los restos de los cultivos tales como el maíz, trigo, frijol, y arroz, entre otros, después de obtener el producto principal como lo es el grano; así como también los desombres de café y cacao, y las podas de frutales. En el último subgrupo se encuentran los restos de actividades agroalimentarias y forestales como lo son, la pulpa del beneficiado de café, el bagazo de la caña de azúcar, y el aserrín en el caso de los aserraderos.. Un aspecto a tomar muy en cuenta a la hora de trabajar con biomasa residual seca, es que la misma se encuentre lo más cerca posible de su lugar de utilización, ya que aspectos como el transporte de la misma, pueden convertirse en gastos extras que la hagan poco viable.. Aunque se le llame biomasa residual seca, ésta contiene cerca del 40% de humedad, lo que conlleva a una baja eficiencia en el proceso de obtención de energía, ya que se debe utilizar una buena cantidad de energía para reducir esta humedad hasta un 10% y a partir de allí, poder obtener la energía neta que se va a producir. .. 14.

(16) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa. Los tratamientos que conlleva el aprovechamiento de este tipo de biomasa, empiezan con el secado de la misma, para su posterior astillado, triturado y tamiz, con lo cual se hace ingresar a una caldera en donde se incinera y produce el calor suficiente para la producción de vapor de agua. Este vapor, hace funcionar una turbina que se encuentra conectada a un generador eléctrico con el cual se genera electricidad. En muchos casos, la energía que se produce es solamente calórica, que se utiliza para calefacción de viviendas, para calefacción de agua domiciliar, para la cocción de alimentos, o para procesos industriales como la fundición de metales.. Se le denomina biomasa residual húmeda a todos aquellos flujos residuales de origen orgánico resultantes de la actividad humana o animal, los cuales se pueden dar en las ciudades (agua residual urbana), industrias (residuos industriales biodegradables) e instalaciones agropecuarias (residuos ganaderos). También se puede citar a los desechos sólidos urbanos (basura orgánica) que por su alto contenido de humedad son tratados mediante procesos biológicos. (Si a los desechos sólidos urbanos, se les da un tratamiento previo de secado, pasan a formar parte del grupo de la biomasa residual seca).. La biomasa residual húmeda, por su alto contenido de materia orgánica puede llegar a considerarse contaminante; ya que en su proceso de descomposición generan metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2). La contaminación que este tipo de biomasa produce no es debida solamente a la generación de esos compuestos indicados anteriormente, sino que al momento de ser vertida a los ríos o lagos, los microorganismos que la descomponen, utilizan el oxígeno disuelto en los mismos afectando al resto del ecosistema acuático; además, por las altas concentraciones de Nitrógeno producto de la formación de metano, se puede dar un crecimiento 15.

(17) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa elevado de algas, el cual contribuye también al consumo del oxígeno disuelto, causando la muerte de otros seres vivos. .. El proceso de degradación de la materia orgánica presente en la biomasa puede darse en presencia de oxígeno (degradación aerobia) o en total ausencia del mismo (degradación anaerobia). En este último caso, se da una gran cantidad de reacciones complejas, llevadas a cabo por diferentes especies de bacterias que producen al final dos productos principales: más microorganismos. y. gas,. denominándosele. a. este. último. Biogás.. El biogás generado a partir de procesos de degradación de la materia orgánica de la biomasa residual húmeda se puede utilizar directamente como combustible en las industrias, o como combustible principal para la generación de energía eléctrica, al hacer funcionar las turbinas que se encuentran acopladas a generadores eléctricos. .. Cultivos energéticos.- Dentro de los cultivos energéticos se encuentran todas las especies herbáceas o leñosas que se cultivan con el propósito de generar biomasa que se va a utilizar como combustible, sea este para movimiento de máquinas (vehículos y maquinaria), o para producir calor y/o electricidad. La leña es una caso de especial interés, que puede producirse a partir de un cultivo energético, porque la finalidad última de éste, es la producción de este tipo de combustible. Cuando la leña procede de una actividad silvícola de poda, raleo o corta final, a esa plantación que la origina no se le puede denominar cultivo energético, ya que el fin de la misma es la producción final de madera, y la leña es nada más un subproducto de esa actividad.. Contrario lo que se persigue con los cultivos orientados a la producción alimentaria o forestal, con los cultivos energéticos solamente se busca 16.

(18) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa obtener la mayor cantidad de energía por unidad de superficie, al menor costo posible y tomando en cuenta minimizar los impactos ambientales. Para ello debe cumplir los siguientes requisitos: alta eficiencia fotosintética, alta resistencia a plagas y enfermedades, capacidad de rebrote, elevada energía por unidad de masa (alto poder calorífico), requerimientos edáficos y climáticos similares, respeto a la flora y fauna autóctona, balance energético positivo y bajo costo de producción. .. Los cultivos energéticos se clasifican en función del uso final que se la dará a la biomasa generada. De esta forma se tienen dos grupos: a) cultivos energéticos dedicados a la producción de biocarburantes (combustible líquido para motores de combustión interna). b) cultivos energéticos dedicados a la generación de biomasa seca para generación de energía térmica y eléctrica. También existen otras clasificaciones según otros criterios: ciclo de cultivo (anual, semiperenne2), tipo (herbácea, leñosa), etc. Los cultivos energéticos dedicados a la producción de biocarburantes se pueden sub dividir en dos grupos, en el primero están las especies con un alto contenido en aceites (especies oleaginosas) que son utilizadas para la obtención de bioaceites (biodiesel); entre estos cultivos se pueden mencionar: la manía (Arachis hipogaea), el coco (Cocos nucifera), el girasol (Helianthus annus L.), la mostaza amarilla (Sinapis alba) y la soja (Glycine max); entre otros. En el segundo subgrupo se encuentran las especies que tienen un importante porcentaje de azucares y por lo tanto se dedican a la elaboración de bioetanol y sus derivados; entre estos cultivos se pueden mencionar: la caña de azúcar (Saccharum officinarum), el maíz (Zea mays), la papa (Solanum tuberosum), la remolacha (Beta rubra) y el trigo (Triticum aestivum L.); entre otros3.. 17.

(19) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Tabla 1.- Características físicas de diferentes recursos de la biomasa.. Fuente: (Riego, 2008). Dentro del Plan de Fomento de las Energías Renovables se contempla el aumento de 6.000 ktep3 de la utilización de la biomasa como fuente energética entre 1999 y 2010. Este incremento se quiere conseguir con las ayudas económicas y otros incentivos (Rico, 2008).. 18.

(20) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Grafica 1 Energías Renovables 1994-2014. Fuente: (SENER, 2006). 19.

(21) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa 1.3 VENTAJAS DE LA BIOMASA . Disminución de las emisiones de CO2.- Aunque para el aprovechamiento energético de esta fuente renovable tengamos que proceder a una combustión, y el resultado de la misma sea agua y CO2, la cantidad de este gas causante del efecto invernadero, se puede considerar que es la misma cantidad que fue captada por las plantas durante su crecimiento. Es decir, que no supone un incremento de este gas a la atmósfera. Reducción del mantenimiento y de los peligros derivados del escape de gases. . No emite contaminantes sulfurados o nitrogenados, ni apenas partículas sólidas.-Si se utilizan residuos de otras actividades como biomasa, esto se traduce en un reciclaje y disminución de residuos. Canaliza, por tanto, los excedentes agrícolas alimentarios, permitiendo el aprovechamiento de las tierras de retirada.. . Factores geográficos.- Debido a las condiciones climáticas de la región, las cuales indicarán las necesidades de calor que requiera cada zona, y las cuales podrán ser cubiertas con biomasa.. . Factores energéticos.- Por la rentabilidad o no de la biomasa como recurso energético. Esto dependerá de los precios y del mercado energético en cada momento.. . Reducción de riesgos de incendios forestales y de plagas de insectos.- Además del aprovechamiento de residuos agrícolas, evitando la quema del terreno.. . Los cultivos energéticos sustituirán a cultivos excedentarios en el mercado de alimentos.- Eso puede ofrecer una nueva oportunidad al sector agrícola, además permite la introducción de cultivos de gran valor rotacional frente a monocultivos cerealistas. Puede provocar un aumento económico en el medio rural.. . Disminución. dependencia. externa. del. abastecimiento. de. combustibles.- En la actualidad la tecnología aplicada a la biomasa está. 20.

(22) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa sufriendo un gran desarrollo. La investigación se está centrando en los siguientes puntos: 1. En el aumento del rendimiento energético de este recurso 2. En minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones 3. En aumentar la competitividad en el mercado de los productos 4. En posibilitar nuevas aplicaciones de gran interés como los biocombustibles.. Estas ventajas convierten a la biomasa en una de las fuentes potenciales de empleo en el futuro, siendo un elemento de gran importancia para el equilibrio territorial, en especial en las zonas rurales.. Grafica 2: Evolución de los precios de combustibles en México. Fuente: (M., 2011). 21.

(23) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa 1.4 DESVENTAJAS DE LA BIOMASA . Tiene un mayor costo de producción frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles.. . Menor rendimiento energético de los combustibles derivados de la biomasa en comparación con los combustibles fósiles.. . Producción estacional.- La materia prima es de baja densidad energética lo que quiere decir que ocupa mucho volumen, por lo tanto puede tener problemas de transporte y almacenamiento y necesidad de acondicionamiento o transformación para su utilización.. 1.5 MÉTODOS DE CONVERSIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA. Métodos termoquímicos. Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y en particular, a los de la paja y de la madera. La combustión, oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial. La pirólisis, combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxigeno, a unos 500 grados centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de débil poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, llamada pirólisis flash, llevada a 1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirólisis. Las instalaciones en la que se realizan la 22.

(24) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa pirólisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir la base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).. Métodos biológicos. La fermentación alcohólica es una técnica muy antigua empleada con los azúcares, que puede utilizarse también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol). La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacteria. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (mas del 75% de humedad relativa).En los fermentadores, o digestores, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo en la temperatura óptima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.. Métodos. Fisicoquímicos. (Prensado/extracción). La. ruta. de. conversión. fisicoquímica produce un biocombustible líquido a partir de la biomasa que 23.

(25) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa contiene aceite vegetal. Esta tecnología es similar a las rutas de conversión para producir aceite vegetal en la industria alimenticia. El aceite vegetal se produce al prensar y/o extraer el aceite de la semilla. De manera que sólo se pueden usar especies que contienen aceite, como la semilla de colza, el girasol, el fríjol de soya y el aceite de palma, etc1.. 1.6 TÉRMINOS RELACIONADOS CON BIOMASA Biogás. Mezcla de metano y otros gases que se desprende durante la degradación anaerobia de la materia orgánica por la acción de microorganismos.. El biogás se obtiene mediante un digestor o bien canalizándolo directamente en un vertedero controlado. En el primer caso, la temperatura del digestor se mantiene a unos 30 a 35°C ; de este modo se logra que el pH este comprendido entre 6.2 y 8, lo que favorece la actividad de los microorganismos. La degradación bioquímica, de gran complejidad y que dura entre 10 y 25 días, se desarrolla en tres fases principales: la hidrólisis y acido génesis, la aceto génesis y la metanogénesis. Tanto el tipo de sustrato orgánico como las condiciones del proceso y el grado que este alcanza hacen que las proporciones de los componentes del biogás (54%-70% para el metano, 27%-45% para el CO2, etc.) cambien. El biogás se emplea tanto para la generación de calor mediante combustión como para la generación de energía mecánica o eléctrica, principalmente en las mismas plantas donde se obtiene.. Digestor. Dispositivo que permite llevar a cabo la degradación anaerobia controlada de residuos orgánicos para obtener biogás y otros productos útiles.. 24.

(26) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa El dispositivo mas simple de este tipo está formado por un recipiente cerrado, de base cónica saliente, dotado con un conducto lateral para la entrada de los residuos, otro superior de escape del gas y un tercero inferior para evacuar los demás productos de la digestión ( digestor discontinuo ). Los digestores más perfeccionados disponen de un agitador y de un calefactor que regulan la homogeneidad y la temperatura del proceso (digestor de mezcla completa), y de otros sistemas para enriquecer la flora bacteriana (digestores de contacto y de filtro anaerobio ).Una instalación básica comprende el sistema de almacenamiento y alimentación, el digestor y los depósitos de gas y de los demás productos resultantes de la digestión. El digestor se alimenta con residuos orgánicos en las plantas de compostaje, con lodos de decantación en las depuradoras de aguas y con las deposiciones de los animales en las explotaciones ganaderas; además del biogás, los productos de la digestión son el compost, los lodos útiles para obtener más compost y los fertilizantes.. Combustibles Fósiles.. Los aceites vegetales constituyen un amplio grupo de biocombustibles que pueden sustituir. a. los. combustibles. fósiles,. ya. sea. directamente. o. mediante. transformaciones químicas poco complejas.. El aprovechamiento a gran escala de aceites para su uso como carburantes no solo es beneficioso por el carácter renovable de tales aceites sino también porque puede reducir el déficit energético de los países menos desarrollados, en un grado mayor que el de los alcoholes: varias plantas y arbustos, de cuyas semillas se extraen aceites, tienen su hábitat en grandes zonas áridas y de suelos pobres, donde los cereales escasean y la fermentación alcohólica es inviable. Entre los aceites más conocidos, el de colza ejemplifica las ventajas y los problemas técnicos que plantea este grupo de sustancias; así, puede alimentar un motor diesel, pero al ser más denso que el gas-oil, presenta varios inconvenientes en la combustión, por lo que es preferible someterlo a esterificación con un alcohol más 25.

(27) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa fuerte que la glicerina; el nuevo éster proporciona un par motor igual al del gas-oil con un consumo algo más elevado.. Combustibles Alcohólicos.. Los alcoholes son los biocombustibles más utilizados actualmente en algunos países, tanto para dar una salida a excedentes agrícolas convertibles en alcohol como por dificultades financieras en la importación de combustibles fósiles.. En principio, es posible obtener alcoholes a partir de cualquier producto que contenga glúcidos fermentables; en particular, el proceso de fermentación alcohólica se puede dar con sustancias azucaradas (caña de azúcar, mostos, remolacha, jugos de frutas, etc.), amiláceas (cereales y tubérculos) y celulósicas (madera, paja de cereal, etc.) pero los rendimientos son muy desiguales. Algunos estudios señalan el metanol como el alcohol con más condiciones para la combustión en motores: sirve tanto para motores Otto como Diesel; su densidad de energía es menor que la de la gasolina, pero su combustión, en cambio, es mejor, se le debe añadir un 10% de hidrocarburos ligeros para facilitar el encendido en frío en los motores de explosión; presenta también dificultades de arranque en los Diesel; y causa problemas de corrosión.. Compostaje. El compostaje, es decir, la fermentación controlada de residuos orgánicos para obtener compost, es un proceso de transformación de residuos poco costosos y de gran utilidad en extensas regiones del mundo con suelos agrícolas pobres. La materia prima del proceso proviene de residuos sólidos urbanos (RSU), estiércol y lodos de depuradora. Para los RSU, hay que prever un tratamiento de separación de la fracción orgánica, así como la eliminación del rechazo final del compostaje en un vertedero o incineradora.. 26.

(28) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa. 1.7 ETAPAS DE PRODUCCIÓN DEL BIOGAS. Fermentación Anaeróbica.. La generación de biogás, mezcla constituida fundamentalmente por metano (CH 4) dióxido de carbono (C02), y pequeñas cantidades de hidrógeno (H), sulfuro de hidrógeno (SH2) y nitrógeno (N) constituye un proceso vital dentro del ciclo de la materia orgánica en la naturaleza.. Las bacterias metano génicas en efecto constituyen el último eslabón de la cadena de microorganismos encargados de digerir la materia orgánica y devolver al medio los elementos básicos para reiniciar el ciclo. Se estima que anualmente la actividad microbiológica libera a la atmósfera entre 590 y 880 millones de toneladas de metano.. Una idea general sobre el proceso microbiológico involucrado en la formación de metano es necesaria para poder comprender mejor el diseño y funcionamiento de los denominados reactores o digestores productores de biogás.. A continuación mencionamos algunos requisitos y características del proceso para producir biogás.. La fermentación anaeróbica involucra a un complejo número de microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en tres grupos principales. La producción de metano es la última parte del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos.. 27.

(29) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Las bacterias productoras del biogás son estrictamente anaeróbicas y por lo tanto sólo podrán sobrevivir en ausencia total de oxígeno atmosférico.. Otra característica que las identifica es la sensibilidad a los cambios ambientales debido a lo cual será necesario un mantenimiento casi constante de los parámetros básicos como la temperatura, esta es la razón más importante por la que los biodigestores se “entierran”.. Las dificultades en el manejo de estas delicadas bacterias explican que la investigación sistemática tanto de su morfología como de la bioquímica fisiológica se inicio hace cincuenta años.. Hoy en día gracias a estudios muy recientes podemos conocer mejor el mecanismo y funcionamiento de este complejo sistema microbiológico involucrado en la descomposición de la materia orgánica que la reduce a sus componentes básicos CH4 y C02. Veamos ahora las diferentes etapas que se llevan a cabo en el proceso de la producción de biogás y sus principales características.. Fase de Hidrólisis:. Las bacterias de esta primera etapa, fermentativas, toman la materia orgánica “virgen” con sus largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo y transformando en cadenas más cortas y simples (ácidos orgánicos) liberando hidrógeno y dióxido de carbono.. Este trabajo es llevado a cabo por un complejo de microorganismos de distinto tipo que son en su gran mayoría anaerobios facultativos.. 28.

(30) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Fase de Acidificación:. Esta etapa la lleva a cabo con las bacterias acetogénicas y realizan la degradación de los ácidos orgánicos llevándolos al grupo acético CH3-COOH, liberando Hidrógeno y Dióxido de carbono.. Esta reacción demanda energía para ser realizada y es posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metano génicas que substraen los productos finales del medio, como H2 y C02, minimizando la concentración de los mismos, en cercanía con las bacterias acetogénicas. Esta baja concentración de productos, H2 y CO2, es la que activa la reacción y la actividad de estas bacterias, haciendo posible la degradación manteniendo el equilibrio energético.. Fase Metanogénica:. Las. bacterias. que. intervienen. en. esta. etapa,. metanogénicas,. poseen. características únicas que las diferencian de todo el resto de las bacterias y se cree que pertenecen a uno de los géneros primitivos de vida colonizadora de la superficie terrestre. En esta etapa, tiene como principal materia prima, el ácido acético y algunos otros ácidos orgánicos y se tienen como productos finales el metano y el dióxido de carbono. Las bacterias metanogénicas ofrecen un rendimiento a una temperatura superior a los 20 °C. Principales factores que afectan la producción de gas:. La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico se ve afectada por diversos factores. Uno es el tipo de bacterias, debido a que cada grupo de bacterias intervinientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferente a esos cambios no es posible cuantificar que tanto afecta cada tipo de bacteria a la producción de gas en forma precisa. 29.

(31) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes: el tipo de sustrato (nutrientes disponibles); la temperatura del sustrato; la carga volumétrica; el tiempo de retención hidráulico; el nivel de acidez (pH); la relación Carbono/Nitrógeno; la concentración del sustrato; el agregado de inoculantes; el grado de mezclado; y la presencia de compuestos inhibidores del proceso.. Tipo de materia prima:. Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos animales y humanos (aunque no tienen la misma materia orgánica), aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes, alimenticias en general), restos de cosechas y todos los desechos orgánicos.. El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores).. Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas.. Las sustancias con alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado, compostado) a fin de liberar las sustancias factibles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina.. 30.

(32) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa En cuanto a estiércoles animales la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que han tenido los mismos. Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los estiércoles presentan grandes diferencias entre distintos autores. Esto se debe a la gran cantidad de factores que intervienen y que hacen muy difícil la comparación de resultados por lo tanto los valores expuestos en este trabajo pueden variar en la práctica. Como norma se deberá tomar en cuenta que a raíz de estar trabajando en un medio biológico sólo los promedios estadísticos de una serie prolongada de mediciones serán confiables siempre y cuando figuren las condiciones en las cuales fueron realizadas las pruebas.. En cuanto al volumen de estiércol producido por las distintas especies animales son variables de acuerdo fundamentalmente al peso y al tipo de alimentación y manejo de los mismos.. Velocidad de carga volumétrica:. Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención.. Existen diferentes formas de expresar este parámetro siendo los más usuales los siguientes: kg de material/día; kg de materia seca/día; kg de sólidos volátiles/día todos expresados por metro cúbico de digestor.. Las cantidades de sólidos y sólidos volátiles se extraen afectando a las cantidades en kg de material cargado con los porcentajes de sólidos o sólidos volátiles que se 31.

(33) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa obtiene por análisis. (Porcentaje de sólidos sometiendo al sustrato a desecación, 105ºC hasta peso constante y extrayendo el siguiente coeficiente: (peso húmedo peso seco)/peso húmedo. El porcentaje de sólidos volátiles se obtiene sometiendo la muestra seca a la mufla4, 560ºC durante tres horas y extrayendo el siguiente coeficiente: 1-((peso seco - peso ceniza)/peso seco)).. Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada, debido a que una misma cantidad de material degradable podrá ser cargado con diferentes volúmenes de agua.. Tiempos de Retención: Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos” donde el Tiempo de Retención: coincide con el tiempo de permanencia del sustrato dentro del digestor.. En los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se define como el valor en días del cociente entre el volumen del digestor y el volumen de carga diaria.. De acuerdo al diseño del reactor, el mezclado y la forma de extracción de los efluentes pueden existir variables diferencias entre los tiempos de retención de líquidos y sólidos debido a lo cual suelen determinarse ambos valores.. El Tiempo de Retención está íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo.. La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de material.. 32.

(34) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 1 Biomasa La relación costo beneficio es el factor que finalmente determinará la optimización entre la temperatura y el Tiempo de Retención, ya que varían los volúmenes, los sistemas paralelos de control, la calefacción y la eficiencia.. Con relación al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor proporción de carbono retenido en moléculas resistentes como la celulosa demandarán mayores tiempos de retención para ser totalmente digeridos.. El límite mínimo del Tiempo de Retención está dado por la tasa de reproducción de las bacterias metanogénicas debido a que la continua salida de efluente del digestor extrae una determinada cantidad de bacterias que se encuentran en el líquido. Esta extracción debe ser compensada por la multiplicación de las bacterias que pertenecen dentro del reactor.. 33.

(35) CAPITULO 2 BIODIGESTOR.

(36) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor CAPITULO 2 BIODIGESTOR. 2.1 ¿QUÉ ES UN BIODIGESTOR? En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como excremento y desechos vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de hidropresión y postratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados. En las grandes urbes, los residuos sólidos orgánicos son un gran problema ya que éstos son dispuestos en rellenos sanitarios los cuáles rompen el ciclo natural de descomposición porque contaminan las fuentes de agua subterránea debido al lavado del suelo por la filtración de agua (lixiviación) y también porque favorece la generación de patógenos. Los residuos orgánicos al ser introducidos en el Biodigestor son descompuestos de modo que el ciclo natural se completa y las basuras orgánicas se convierten en fertilizante y biogás el cual evita que el gas metano esté expuesto ya que es considerado uno de los principales componentes del efecto invernadero.. 35.

(37) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor Biogás: La utilización de biogás puede sustituir a la electricidad, al gas propano y al diesel como fuente energética en la producción de electricidad, calor o refrigeración. En el sector rural el biogás puede ser utilizado como combustible en motores de generación eléctrica para autoconsumo de la finca o para vender a otras. Puede también usarse como combustible para hornos de aire forzado, calentadores y refrigeradores de adsorción. La conversión de aparatos al funcionamiento con gas es sencilla. La producción de biogás es permanente, aunque no siempre constante debido a fenómenos climáticos. Metano: El gas metano es un hidrocarburo alcano más sencillo, contiene únicamente átomos de carbono e hidrógeno unidos por un enlace covalente. Es incoloro y no es soluble en agua. En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. El biodigestor, es un sistema sencillo de implementar, con materiales económicos, que se están introduciendo en comunidades rurales aisladas y de países subdesarrollados; para obtener el doble beneficio de conseguir solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales.. 2.2 CLASIFICACIÓN DE BIODIGESTORES A) BIODIGESTORES DISCONTINUOS (POR. LOTES).- Los biodigestores. discontinuos o por lotes son contenedores cerrados que una vez cargados no permiten extraer o añadir más sustratos hasta que finalice el proceso completo de biodegradación y producción de biogás. En otras palabras, el proceso finaliza cuando no se produce más biogás. 36.

(38) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor Estos tipo de digestores admiten mayor carga de materiales poco diluidos, por lo que el requerimiento de agua es menor que en los sistemas continuos. Otro aspecto a favor es que no son afectados por presencia de material pesado como tierra o arena. Al principio y al final del proceso la producción de biogás es marcadamente menor; lo cual se debe a la carencia de condiciones óptimas para los microorganismos anaeróbicos al inicio y posteriormente al agotamiento de los nutrientes para los mismos.. Grafica 3: Producción de Biogás en biodigestores discontinuos (por lotes) Fuente: (Díaz). 37.

(39) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. Ventajas:  Pueden procesarse una gran variedad de materiales La carga puede juntarse en campo abierto porque, aunque tenga tierra u otro inerte mezclado, no entorpece la operación del biodigestor.  Admiten cargas secas que no absorban humedad, así como de materiales que flotan en el agua.  Su trabajo en ciclos, los hace especialmente aptos para los casos en que la disponibilidad de materia prima no sea continua, sino periódica.  No requiere prácticamente ninguna atención diaria.. Desventajas:  La carga requiere un considerable y paciente trabajo.  La descarga, también es una operación trabajosa.. B) BIODIGESTORES SEMI-CONTINUOS.- Estos biodigestores son alimentados diariamente con una carga relativamente pequeña en comparación al contenido total; esta se deposita en la cámara de carga, e igualmente se debe extraer de la cámara de descarga un volumen igual del efluente líquido para así mantener el volumen constante. Generalmente producen biogás casi permanentemente, gracias al suministro constante de nuevos nutrientes para las comunidades de bacterias. Una limitante importante es la disponibilidad de agua, debido a que la carga debe ser una mezcla de una parte del material orgánico y cuatro partes de agua (proporción 1:4).. 38.

(40) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. C) BIODIGESTORES CONTINUOS:.  Biodigestores de mezcla completa.- La característica que define a este tipo de biodigestores es que la carga añadida periódicamente se mezcla casi en su totalidad con el contenido ya presente en cámara de digestión. Como resultado, parte del material sin biodegradar sale en el efluente, lo cual evita que se pueda garantizar la eliminación total de agentes causantes de enfermedades en plantas y animales así como de semillas de plantas arvenses (malezas)..  Modelo Chino (Imagen 1).- Se originó en China y consiste en una estructura cerrada con cámaras de carga y descarga que puede ser construida de concreto armado o ladrillos. Tienen una larga vida útil (mayor a 15 años) con un adecuado mantenimiento. Sin embargo, el relativo alto costo que representa la construcción de este modelo hace que no se haya popularizado en países latinoamericanos tanto como otros diseños. El digestor almacena solo pequeño volumen del gas generado en el interior, por lo que requiere un contenedor diferente construido para tal fin (gasómetro).. 39.

(41) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. Imagen 1. Biodigestor Modelo Chino Fuente: (RMR-Prigeds).  Modelo Hindú (Imagen 2) .- También llamado de domo flotante, en su parte superior presenta una campana o domo que se mantiene flotando en el líquido a causa del biogás que retiene en su interior. El domo puede ser de metal o preferiblemente de un material resistente a la corrosión como los plásticos reforzados. Esta campana sube y baja dependiendo del volumen de gas que contiene y por esto requiere una varilla guía central o rieles laterales que eviten el rozamiento contra las paredes de la estructura.. Imagen 2. Biodigestor Hindú Fuente: (RMR-Prigeds). 40.

(42) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor  Modelo de Domo flotante.- Tienen la ventaja que no necesita un contenedor externo para el almacenar el gas generado. Este se mantiene a una presión relativamente constante al interior del domo, lo que es muy ventajoso. Una variación a este modelo lo constituyen los biodigestores que presentan una película de polietileno flexible en la parte superior en sustitución del domo flotante, haciéndolos más económicos y accesibles socialmente.  Biodigestores de flujo pistón.- Son aquellos en los cuales la cámara de digestión es alargada y por lo tanto la degradación de los residuos transcurre a medida que transitan a lo largo del digestor. En esta categoría se encuentran los digestores familiares de bajo costo..  Modelo Horizontal.- Es básicamente un digestor tubular horizontal en cuyos extremos se sitúan las cámaras de carga y descarga del sistema. Su configuración alargada impide que la carga líquida inicial y el efluente se mezclen; esto lo hace útil en el aprovechamiento de residuos que requieran un tratamiento prolongado, tales como excretas humanas y ciertos desperdicios de sacrificio de animales.. Imagen 3. Biodigestor Modelo Horizontal Fuente: (Casera). 41.

(43) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor  Modelo horizontal de bajo costo.- Los biodigestores familiares de bajo costo, populares en países en vías de desarrollo, son fáciles de implementar ya que se fabrican con grandes bolsas de polietileno tubular. Suelen situarse dentro de una especie de trinchera y su periodo de vida útil son unos cinco años. Además de los modelos comunes descritos en este documento, existen otros con variaciones de todo tipo: en forma, tamaño, continuidad del afluente y materiales de construcción. Los biodigestores nos ofrecen generalmente mas ventajas que desventajas como se enumeran a continuación:. Ventajas:  Permite controlar la digestión, con el grado de precisión que se quiera.  Permite corregir cualquier anomalía que se presente en el proceso, en cuanto es destacada.  Permite manejar las variables relacionadas, carga especifica, tiempo de retención y temperatura, a periodos son del orden de 10 años.  La tarea de “puesta en marcha”, después del inicial, sólo se vuelve a repetir cuando hay que vaciarlo por razones de mantenimiento.  Las operaciones de carga y descarga, de material a procesar y procesados, no requieren ninguna operación especial.. 42.

(44) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. Desventajas:  La baja concentración de sólidos que admiten.  No poseer un diseño apropiado para tratar materiales fibrosos, o aquellos cuyo peso especifico sea menor que el de el agua.  Problemas de limpieza de sedimentos, espuma e incrustaciones.  El alto consumo de agua, por lo que al agregado liquido se reduce, con el agregado de orinas, un buen sustituto.. Proceso de Carga y Descarga. El proceso de carga y descarga se lleva a cabo gracias a una característica de cualquier fluido en reposo que nos dice que: la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas las direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. De esto se deduce que la fuerza por unidad de superficie que el fluido ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene es perpendicular a la pared en cada punto sea cual sea su forma. Si la presión no fuese perpendicular el fluido se movería a lo largo de la pared. El principio de pascal afirma que la presión aplicada sobre el fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas las direcciones y a todas partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias del peso debidas al peso del fluido.. 43.

(45) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. Imagen 4. Funcionamiento de carga y descarga del biodigestor. Donde S1 Diámetro Menor. S2 Diámetro Mayor. F1 Fuerza Menor. F2 Fuerza Mayor.. 2.3 DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL BIODIGESTOR Condiciones para la biodigestión Las condiciones para la obtención de metano en el digestor son las siguientes: 1.. Ausencia de oxigeno.. 2.. Gran nivel de humedad (80 % - 90%). 3.. Materia orgánica. Se recomienda que la materia orgánica sean excrementos. de animales, ya que si se combina con desechos de comida la efectividad se reduce.. 44.

(46) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. 4.. Capitulo 2 Biodigestor Que la materia prima se encuentra en trozo más pequeños posible (Radio. menor a 1 centímetro) 5.. Equilibrio de carbono/ nitrógeno. La relación tiene que ser entre 9 - 10 ya. que es 6.. Temperatura. Factor importante en la producción de biogás, dado que. debemos simular las condiciones optimas para minimizar los tiempos de producción. La temperatura óptima es de 30° a 35°C aproximadamente.. Grafica 4.- Generación de Biogás respecto a la Temperatura. Fuente: (Díaz). 7.. Acidez Este factor indica cómo se desenvuelve la fermentación. Se mide con. un valor numérico llamado pH, que en este el valor es 7, o sea es neutro. Por encima de este número significa alcalinidad; por debajo, acidez. Cuando los valores superan el pH 8, esto indica una acumulación excesiva de compuesto alcalino. Y la carga corre riesgo de putrefacción. Los valores inferiores. 45.

(47) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor a 6 indican una descompensación entre las fases ÁCIDAS y METANOGÉNICA, pudiendo bloquearse esta última. El factor de pH se controla adicionando agua a la mezcla.. Partes del biodigestor:. Hemos seleccionado el biodigestor de tipo flujo continuo debido a la facilidad de construcción y que prácticamente está libre de mantenimiento haciendo el proyecto más sencillo y económico para el tipo de granja al que nos estamos enfocando.. El biodigestor constara de 4 partes fundamentales: La Cámara de predigestión, el digestor, la válvula de salida y la cámara de descarga.. Predigestor. La cámara de predigestión es la primera etapa de nuestro biodigestor y es el lugar donde se van a mezclar los desechos orgánicos con agua, con una relación de 1:4 para evitar que durante el proceso de fermentación la mezcla se seque y queden desechos atorados en el digestor, en esta parte del biodigestor nos tenemos que asegurar que los desechos al ser mezclados con el agua nos de cómo resultado un material que sea lo mas parecido a una pulpa, tratando de reducir al mínimo todos los desechos para su mejor descomposición el digestor,. la cámara de. predigestión se localizará a un costado del biodigestor y por encima del nivel del mismo, esto se hace con la intención de que el digestor sea llenado de una forma sencilla, utilizando la gravedad de la tierra, la cámara de predigestión tendrá unas dimensiones de 2m de altura, 2m de ancho y 2m de largo, y se realizara de block y cemento. Ver Imagen 5.. 46.

(48) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor El Digestor.. El digestor es la parte principal del biodigestor, en este contenedor es donde se lleva acabo el proceso de la biodigestion anaerobia, este digestor constare de 2 partes principales; una que es la zanja que tendrá las siguientes medidas: 1.5m en la parte mas profunda, 2.0m en la parte superior, 2.5m de profundidad y se extenderá a lo largo de 12 metros, la otra parte del digestor son las bolsas de polietileno de 2.5m de diámetro y 15m de largo, estas bolsas se colocan dentro de la zanja para mantener una temperatura estable y que no sufra cambios de temperatura muy bruscos, este digestor va a ser alimentado por la cámara de predigestion y los desechos serán depositados en la cámara de descarga, el digestor no necesita ningún tipo de mecanismo para la expulsión del biol, ya que el desecho va a salir conforme llenemos el digestor. Para construir un biodigestor de esta clase, hay que cavar un hoyo primero. El hoyo deberá guardar las mismas dimensiones que el biodigestor. Se recomienda realizar la base en forma de U o V. Ver Imagen 5. Deben cavarse dos zanjas, una para el tubo de entrada y otra para el tubo de salida. La zanja de entrada se debe cavar a un ángulo de unos 45°, entrando el tanque tan cerca del fondo posible, dejando no más de 30 centímetros entre el punto de la entrada y el fondo del tanque. El tubo de entrada debe estar por encima del tanque por lo menos unos 40 centímetros. El tubo de salida se debe cavar a un ángulo de 30°.. Cámara de descarga.. Esta cámara se encuentra al final del biodigestor y en ella se depositará los desechos que después de la biodigestión anaerobia nos dará como resultado el biol, esta cámara tendrá dimensiones de 1.5m de ancho, 1.5m de largo y 1.5m de 47.

(49) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor alto, y será fabricado con block y cemento, la entrada a la cámara de descarga deberá de estar al mismo nivel que el líquido que se encuentra en el digestor, nunca deberá de estar por debajo de este nivel ya que corremos el riesgo de que haya fuga de biogás, ahora hablemos de donde se encontrará ubicado el total de la cámara de descarga, esta tendrá que estar por debajo del nivel del biodigestor para que sea mas fácil el llenado de la misma. Ver Imagen 5. Imagen 5: Diagrama para la construcción del biodigestor.. Para poder secar el albiol y posteriormente ponerlo en costales para su venta, pondremos una inclinación en esta parte del biodigestor, colocando una reja para poder filtrar el agua y bombearla nuevamente al proceso teniendo un ciclo cerrado para evitar lo más posible las pérdidas, reutilizando la mayor cantidad de agua. 48.

(50) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor Esta medida tiene como finalidad separar rápida y económicamente el residuo del proceso además de tener un costo muy bajo para darle viabilidad al proyecto.. Después de tener las partes del biodigestor terminadas se procede a conectarlas.. Los rollos de polietileno que tenemos, es necesario meter uno dentro del otro, se perforan los rollos para conectar la válvula, de salida del gas metano, para su almacenamiento. Para esta válvula necesitamos tubos y adaptadores de PVC, unos sellos de hule y de plástico. Se procede a ensamblar como muestra la imagen 6:. Imagen 6: Válvula de salida del Biogás. Fuente: (Habitat, 2005). 49.

(51) ADAPTACIÓN DE UN BIODIGESTOR EN LAS INSTALACIONES DE UNA GRANJA DEL MUNICIPIO DE TECÁMAC ESTADO DE MÉXICO.. Capitulo 2 Biodigestor. Es necesario armar tres de estas válvulas, una para la salida de la cámara de digestión, una para la entrada del contenedor del gas, y otra para la salida del gas.. VÁLVULA DE SEGURIDAD EN LA SALIDA DEL CONTENEDOR DE BIOGÁS. Imagen 7. Válvula de Seguridad. Fuente: (Habitat, 2005). 50.

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