Biogás. Aprovechamiento energético de una granja ganadero – avícola

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BIOGÁS

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA

GANADERO – AVÍCOLA

NADIA FERNANDA MANTILLA SUÁREZ

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES–

FACULTAD DE INGENIERIAS

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA

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BIOGÁS

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA

GANADERO – AVÍCOLA

NADIA FERNANDA MANTILLA SUÁREZ

COD. 11822007

Trabajo de Maestría para optar el título de

Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

Director

Gilberto Carrillo Caicedo

Ph.D Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES–

FACULTAD DE INGENIERIAS

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA

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AGRADECIMIENTOS

La autora expresa sus agradecimientos a:

Mi familia, padres, esposo e hijos por su apoyo incondicional y acompañamiento durante todo el desarrollo de la maestría.

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6

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ... 13

2. JUSTIFICACIÓN ... 15

3. PROBLEMA ... 16

3.1 FORMULACIÓNDELPROBLEMA ...16

3.2 DECLARACIÓNDELPROBLEMA ...18

4. OBJETIVOS ... 18

4.1OBJETIVOGENERAL ...18

4.2OBJETIVOSESPECÍFICOS ...19

5. MARCO REFERENCIAL ... 19

5.1 MARCOCONTEXTUAL ...19

5.2 MARCOTEÓRICO ...26

5.3 MARCOCONCEPTUAL...35

6. METODOLOGÍA ... 37

6.1 SELECCIÓNDELSITIO...39

6.2 OBSERVACIÓNDIRECTAYREGISTROFOTOGRAFICOENSITIO ...39

6.3 MÉTODOSDECUANTIFICACIÓN ...39

6.4 TOMADEMUESTRAS ...39

6.5 VALIDACIÓNCONTRABAJADORES ...40

6.6 DISEÑO ...40

7. DESARROLLO DEL TRABAJO DE MAESTRÍA ... 40

7.1 DETERMINACIÓNDELACOMPOSICIÓNFISICOQUÍMICAYMICROBIOLÓGICADEL ESTIÉRCOL ...40

7.1.1 TEMPERATURA ...41

7.1.2 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) ...41

7.1.3 CONDUCTIVIDAD ...41

7.1.4 HIERRO ...41

7.1.5 FOSFATOS...42

7.1.6 NITRITOS ...42

7.1.7 NITRATOS...43

7.1.8 pH ...43

7.1.9 RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N) ...43

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VII

7.1.11 SULFATOS ...44

7.1.12 CARBONO ORGÁNICO TOTAL ...44

7.1.13 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) ...44

7.1.14 ÁCIDO SULFHÍDRICO ...45

7.1.15 DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA MEDIANTE DR/890 DE HACH [51] ...45

7.1.16 HUMEDAD...45

7.1.17 MATERIA ORGÁNICA ...45

7.1.18 ACTIVIDAD METANOGÉNICA ...45

7.1.19 MATERIALES Y REACTIVOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN ...46

7.1.20 PROCEDIMIENTO PARA PREPARACIÓN DE SOLUCIONES ...46

7.2 RESULTADOSDELACOMPOSICIÓNDELESTIÉRCOL ...48

7.2.1 MUESTRA N° 1. ESTIÉRCOL DE VACA ...48

7.2.2 MUESTRA N° 2. ESTIÉRCOL DE POLLO ...49

7.2.3 MUESTRA N° 3. COMBINADA ESTIÉRCOL DE POLLO Y DE VACA ...50

7.2.4 RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA ...52

7.2.5 FACTOR DE CORRECCIÓN (gDQO/L) [55] ...55

7.2.6 VOLUMEN TEÓRICO DE CH4 [55] ...55

7.2.7 ACTIVIDAD METANOGENICA (AME) [55] ...55

7.3 DISEÑODELSISTEMADEAPROVECHAMIENTOENERGÉTICO ...57

7.3.1 ALMACENAMIENTO DE ESTIERCOL ...57

7.3.2 CANTIDAD DE RESIDUOS ORGÁNICOS ...58

7.3.3 TIEMPO DE RETENCIÓN ...62

7.3.4 VOLUMEN DEL BIODIGESTOR ...63

7.3.5 PRODUCCIÓN ESTIMADA DE BIOGÁS [11] ...63

7.3.6 DIMENSIONES DE BIODIGESTOR ...64

7.3.7 INSTALACION DEL BIODIGESTOR Y CONDUCCIÓN DEL GAS ...67

7.4 OFERTAENERGÉTICAYUSODELBIOGÁS ...70

7.5 COSTOSDELBIODIGESTOR ...77

7.5.1 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN...77

7.5.2 COSTOS DE OPERACIÓN ...79

8. CONCLUSIONES ... 80

9. RECOMENDACIONES ... 81

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VIII

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Rendimiento de Biogás para distintos tipos de estiércol ... 29

Tabla 2 Producción de biogás para varios tipos de estiércol/sustratos ... 29

Tabla 3 Potencial energético... 34

Tabla 4 Consumo de biogás por gasodoméstico ... 35

Tabla 5 Materiales y reactivos utilizados ... 46

Tabla 6 Resultados muestra N°1 ... 49

Tabla 7 Resultados muestra N° 2 ... 50

Tabla 8 Resultados muestra N°3 ... 50

Tabla 9 Estimación relación C/N ... 51

Tabla 10 Relaciones C/N de varios productos residuales ... 52

Tabla 11 Comportamiento Metanogénico ... 53

Tabla 12 Valores de DQO de los inóculos ... 54

Tabla 13 Porcentaje de remoción de materia orgánica ... 55

Tabla 14 Valores de la actividad metanogénica específica de los inóculos ... 56

Tabla 15 Cantidades de animales en finca ... 58

Tabla 16 Valores y características del estiércol de algunos animales ... 59

Tabla 17 Diámetros del digestor, según el ancho de rollo empleado ... 65

Tabla 18 Sección eficaz del digestor, según el ancho de rollo empleado ... 65

Tabla 19 Valor energético Biogás vs otras fuentes ... 71

Tabla 20 Energía equivalente ... 71

Tabla 21 Materiales ... 78

Tabla 22 Costos de obra civil ... 78

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IX

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Ubicación granja prototipo seleccionada ... 20

Ilustración 2. Proceso avícola ... 20

Ilustración 3. Galpón granja La Fortuna ... 20

Ilustración 4 . Almacenamiento pollinaza compostada granja La Fortuna ... 21

Ilustración 5. Ventilación galpón granja La Fortuna... 22

Ilustración 6. Incubación galpón granja La Fortuna ... 22

Ilustración 7. Cilindros de gas granja La Fortuna ... 23

Ilustración 8. Alimentación pollos granja La Fortuna ... 23

Ilustración 9. Régimen alimentario granja La Fortuna ... 24

Ilustración 10. Proceso ganadero ... 25

Ilustración 11.Digestión anaerobia ... 28

Ilustración 12.Fases de digestión anaerobia. ... 28

Ilustración 13. Tipo Hindú ... 31

Ilustración 14. Tipo Chino ... 31

Ilustración 15. Tipo Discontinuo y continuo ... 32

Ilustración 16. Tipo Discontinuo y continuo ... 32

Ilustración 17. Biodigestor de polietileno ... 33

Ilustración 18. Método del trabajo de maestría ... 38

Ilustración 19. Montaje de la actividad metanogénica (AME). ... 48

Ilustración 20. Comportamiento metanogénico muestra pollo + vaca ... 54

Ilustración 21. Dimensiones de los biodigestores ... 67

Ilustración 22.Zanjas para biodigestores ... 68

Ilustración 23. Válvula de salida ... 69

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X

Ilustración 25. Red de distribución ... 73

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XI

RESUMEN

Título: Biogás. Aprovechamiento energético de una granja ganadero –

avícola

Autor: Nadia Fernanda Mantilla Suárez

Palabras clave: biogás, aprovechamiento energético, producción

agropecuaria, tratamiento de residuos sólidos orgánicos e impacto ambiental.

Descripción:

El departamento de Santander -Colombia- se caracteriza por su producción agropecuaria en terrenos con vocación ganadera y avícola. Pero, los altos costos del servicio de energía y la cantidad de biomasa producida, representada principalmente en residuos orgánicos, constituyen un problema de interés de la academia regional.

El trabajo de maestría Biogás, Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola tiene precisamente como objetivo principal, diseñar un sistema que permita el aprovechamiento del biogás producido en una granja y presentarlo como prototipo energéticamente sostenible; es decir, de bajo costo, que minimiza impactos ambientales e incrementa beneficios sociales. Así y a partir de una metodología experimental, se hizo la selección del predio representativo de una granja santandereana con dificultades de aprovechamiento de estiércol bovino y aviar; que enfrenta impactos ambientales ocasionados por la generación de estiércol y presenta deficiencias para suplir los requerimientos energéticos demandados por sus actividades productivas.

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XII

ABSTRACT

Title: Biogas. Energetic exploitation of a livestock farm - poultry

Author: Nadia Fernanda Mantilla Suárez

Keywords: biogas, energy use, agricultural production, treatment of organic solid

waste and environmental impact.

Description:

The department of Santander -Colombia- is characterized by its agricultural production in land with cattle and poultry vocation. The high costs of the energy service and the amount of biomass produced, represented mainly in organic waste, constitute a problem of interest to the regional academy.

The project Biogas, Energy use of a poultry-livestock farm has as its main objective, to design a system that allows the use of biogas produced in a farm and present it as an energy-sustainable prototype; that is, low cost, which minimizes environmental impacts and increases social benefits. Based on an experimental methodology, the selection was made of a Santander farm with difficulties in the use of bovine and avian manure; that faces environmental impacts caused by the generation of manure and has deficiencies to meet the energy requirements demanded by its productive activities.

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Biogás: Aprovechamiento energético de una granja ganadero – avícola

Universidad de Santander Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados Campus Universitario Lagos del cacique, Bucaramanga. PBX 6516500 www.udes.edu.co

1. INTRODUCCIÓN

Dentro de los objetivos de Desarrollo del Milenio (2000 – 2015) y en los actuales objetivos de Desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas (2016 -2030) se incluye la sostenibilidad ambiental. Esta propende por la reducción de los impactos negativos de los recursos naturales, la disminución en el consumo de sustancias agotadoras de la capa de ozono y en las emisiones de CO2 [1][5]. Este direccionamiento global motiva a las regiones del mundo a replantear el uso de combustibles fósiles desde todos los sectores productivos.

Con respecto al sector productivo agropecuario, las granjas avícolas y ganaderas tienen requerimientos energéticos para sus procesos industriales, como por ejemplo la incubación con gas natural o el uso de refrigeradores eléctricos para enfriamiento de leche. Sin embargo, el consumo de energía en zonas rurales presenta dificultades en la disponibilidad y accesibilidad. Para el caso del gas, su transporte y almacenamiento representa altos costos y en cuanto a energía eléctrica, ésta es intermitente o nula, por lo cual la implementación de energías alternativas se plantea como una opción prometedora para el mejoramiento en la sostenibilidad de los procesos agroindustriales.

El departamento de Santander en Colombia, tiene tres actividades económicas principales: el sector servicios con el 30,39% de participación, el sector industrial con un 20,95% y el agropecuario con el 12,42% [2]. Este trabajo de maestría focaliza su atención en el sector agropecuario, esto es, en zonas rurales del departamento, que cuentan con extensiones de tierra y productos representativos como: cacao, café, caña panelera, guayaba, piña, mora, mandarina, limón, aguacate, hortalizas, tomate, habichuela, pimentón, cebolla junca, ajo, caucho, palma, forestales, ganadería bovina, avicultura, caprinos y piscicultura, principalmente.

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mejorados. Las praderas naturales superan el 50% de la extensión forrajera en el Departamento de Santander destacándose las siguientes gramíneas: paja comino (Homolepsis aturensis), Maciega (paspalum Virgatum), vendeaguja (cortadería nítida), Bahía o tenza (paspalum notatum), falsa poa (Holcus Lanatus) [3].

La avicultura en Santander (producción de huevos y pollo para consumo humano) ocupa un renglón importante en el desarrollo industrial del departamento y del país. En municipios como Lebrija, Rionegro, Floridablanca, Piedecuesta, Los Santos, Zapatoca, Aratoca, Curití, Oiba, Barbosa y el Magdalena Medio, esta actividad económica es destacada, y produjo para 2012, cerca de 200 millones de huevos y 25.000 toneladas de pollo mensuales entre 1128 granjas avícolas (con capacidad para la incubación, cría, levante y engorde de las aves) las cuales cubrieron cerca del 25% y 30% de la necesidad nacional respectivamente [4].

El manejo inadecuado de estiércol de ganado y del de aves de corral en el desarrollo de actividades agropecuarias, representa graves problemas sanitarios y ambientales, tales como la proliferación de vectores, contaminación de suelos, presencia de olores ofensivos e incluso, contaminación de fuentes hídricas, algunas de ellas indispensables en abastecimiento de agua para consumo humano.

A pesar de la implementación de procesos como el compostaje, que permiten el aprovechamiento de ciertas cantidades de estiércol líquido y sólido; en su mayoría, no se garantiza el uso total de la producción generada por los animales. Además, buena parte del residuo se desperdicia durante el traslado hasta el sitio de tratamiento o se limita por los procesos implementados tradicionalmente. Finalmente, la generación diaria y la disposición en espacios físicos insuficientes e inadecuados para el almacenamiento del estiércol en una granja, dificultan el manejo de este residuo.

Además, como ya se mencionó, los altos costos del servicio de energía, la cantidad de biomasa producida y presentada en la actualidad como residuos sólidos orgánicos y el gran número de granjas con tales características en la región, motivan a realizar un estudio de posibilidades energéticas del biogás generado por las excretas de animales presentes en una granja de vocación ganadera y avícola.

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y microbiológica del estiércol haciendo alusión a los parámetros de análisis para las muestras de ese residuo orgánico; los resultados de la caracterización; el diseño del sistema de aprovechamiento energético a partir del biogás; oferta energética y uso del biogás y costos. Finalmente en el capítulo 8 y 9 las conclusiones y recomendaciones del trabajo de maestría.

2. JUSTIFICACIÓN

En la agenda 2030, aprobada por Naciones Unidas a finales del año 2015, y donde se citan los objetivos 6 y 7 de desarrollo sostenible “agua limpia y saneamiento, y energía asequible y no contaminante” mediante la búsqueda de alternativas de progreso en el marco del desarrollo sostenible [5] y de propósitos nacionales en el eje de “Crecimiento Verde” objetivo “Avanzar hacia un crecimiento sostenible y bajo en carbono” y en el eje Desarrollo minero energético para la equidad regional [6] constituyen los principales elementos motivadores que justifican el desarrollo del trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola.

Igualmente, este trabajo de maestría aporta significativamente a suplir “carencias en la aplicación de un modelo de desarrollo económico sostenible soportado en la innovación y la tecnología, mediante la implementación de proyectos autosostenibles productivos y la generación de ingresos a los agricultores santandereanos, soportada en la conservación de ecosistemas naturales de la región”[2].

En Colombia el aprovechamiento de la materia orgánica para la producción de biogás es una práctica adoptada en diferentes zonas; en Bogotá por ejemplo, en una planta de biogasificación se producen 2 toneladas diarias de biogás resultado del aprovechamiento de los residuos vegetales que recoge el jardín y del proceso de arborización y tala de la ciudad [71], en Medellín, en la planta de tratamiento de aguas residuales de san Fernando y en el relleno sanitario de la Pradera aprovechan la materia orgánica derivada de las aguas residuales y basura de la ciudad; en diversas granjas a lo largo del país se aprovechan los residuos porcícolas; sin embargo la producción de energía a partir de los residuos orgánicos avícolas es poco utilizado en la industria colombiana [72]. En [72] se considera que el aprovechamiento energético a partir del biogás en el sector avícola contribuye a disminuir la problemática ambiental y puede ser de gran ventaja para las criadoras en el levante del pollo.

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Cundinamarca, Colombia donde se implementa la biodigestión en ganadería de carne [74].

Asimismo, este trabajo de maestría evidencia la aplicación de conceptos económicos y de diseño vistos a lo largo de la maestría en Sistemas Energéticos Avanzados de la Universidad de Santander, en procesos de experimentación y práctica en escenarios reales; particularmente en la línea de investigación en energías renovables del grupo ambiental de investigación aplicada – GAIA– UDES. En síntesis, la investigación en este tema representa para la Universidad de Santander un aporte a este sector económico de la región.

Finalmente, como ingeniera sanitaria y ambiental, considero que el trabajo de maestría es coherente con el propósito y perfil de la disciplina ya que direcciona el trabajo al enfoque preventivo en la generación de impactos ambientales tales como el aumento de volumen de residuos orgánicos, la contaminación del suelo y del agua y los impactos propios de la industria avícola y ganadera en Santander.

3. PROBLEMA

3.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Es indiscutible que en zonas rurales de países en vías de desarrollo como Colombia se evidencia la continuidad de prácticas tradicionales inadecuadas para la salud pública y poco amigable con el medio ambiente, como la disposición directa en el suelo de estiércol bovino y pollinaza. Estos residuos orgánicos están compuestos por una serie de sustancias como, nitrógeno, fósforo y azufre que al liberarse en el suelo desencadenan procesos de alteración biológica [7].

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Otro problema es el del bajo desarrollo energético en el ámbito rural, que ha impedido el mejoramiento de las condiciones de vida y la productividad del campo colombiano. Esto genera como constante, el incremento en los índices de pobreza y carencias en saneamiento básico, que afectan por tanto el parámetro básico de subsistencia de la familia campesina y del sector productivo que tienen como escenario de sus actividades estas áreas no urbanas. De igual manera, se afectan ostensiblemente las actividades dedicadas a la producción de alimentos que requieren aportes energéticos de diversa índole: preparación del terreno, plantación, riego, abono, recolección, transporte, procesamiento, conservación, cría, engorde y levante de animales.

Un aspecto que agrava la situación es la subcontratación que hacen las grandes empresas avícolas santandereanas, a granjas dispersas en las zonas rurales del departamento. Esto propicia la vocación mixta (avícola-ganadera semiestabulada o extensiva), actividades económicas que implican altas producciones de residuos orgánicos o estiércol en volúmenes constantes y periódicos. En el caso específico del estiércol, las granjas no cuentan con el espacio suficiente ni con el tiempo para el desarrollo de procesos de compostaje (entre 45 y 60 días). Una (1) vaca de 500 kilos puede producir aproximadamente 34 kilogramos de estiércol diarios; dimensionando esto a un número mayor de cabezas, la producción se incrementa a tal punto que se hace inconcebible no utilizar una tecnología de aprovechamiento biológico como el compostaje [9].

Algo similar ocurre con las gallinas o pollos, donde por un (1) animal de 1,5 kilos, el estiércol producido diario oscila alrededor de 0,02 kilogramos; aumentando esta cifra a granjas con vocación avícola donde el número de pollos puede ascender a más de 20.000 la producción de estiércol, cuestión que requiere atención ágil y en tiempos cortos para su disposición final [8][9][11] para mantener una estabilidad costo beneficio que permita optimizar la eficiencia de todas las granjas (sean holísticas o no) y estén estructuradas alrededor de la viabilidad de recursos (agua, energía, nutrientes, aire y suelo) [9][10][12][13].

A pesar de que una de las posibles alternativas para incrementar la eficiencia de las granjas es la producción de biogás a partir de los residuos; como una fuente renovable de energía muy versátil, que puede ser utilizada para reemplazar las fuentes de energías fósiles, [12][13] son pocos los empresarios del campo que conocen o se motivan a implementar estas opciones en sus fincas. Además, aunque en principio cualquier materia orgánica puede ser fermentada o biodigestada, sólo aquellos sustratos líquidos y homogéneos pueden producir suficiente biogás para ser considerados como materia prima eficiente para la producción de energía [14].

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biogás, la implementación de biodigestores posee los dos beneficios, ya que es considerada una fuente de energía de bajo costo y que además uno de sus subproductos es un fertilizante de gran valor agregado [16][17]. Sin embargo es necesario recordar que el proceso de fermentación es muy complicado y requiere de una supervisión tecnológica [18].

En la granja seleccionada para el trabajo de Maestría se evidencian problemas ambientales derivados del uso inadecuado del estiércol del ganado bovino y avícola; al disponerse directamente en el suelo se genera amoniaco, metano y óxido nítrico, gases contribuyentes del efecto invernadero GEI; Contaminación del suelo por contribuciones excesivas de nutrientes y microrganismos patógenos como el E-coli. Por escorrentía y filtración se da una contaminación de fuentes hídricas presentando una amenaza para las personas de la granja que consumen el agua de estas fuentes. Otro factor considerado dentro de la problemática ambiental de la granja es la posibilidad de intoxicación del ganado por altas concentraciones de nitritos y nitratos en el suelo.

Es evidente el problema ambiental. Las granjas de vocación avícola y ganadera en Santander enfrentan impactos ambientales ocasionados por la generación de estiércol; a pesar de que estos residuos pueden ser aprovechados a partir de un proceso de biodigestión, para que el biogás producido contribuya a suplir los requerimientos energéticos demandados por las actividades productivas de estos sitios.

3.2 DECLARACIÓN DEL PROBLEMA

Teniendo en cuenta lo anterior el problema se declara como el desaprovechamiento energético de residuos sólidos orgánicos en granjas ganadero-avícolas y la no valorización de los residuos agroindustriales para la obtención de biogás como aspecto fundamental en el mejoramiento de la eficiencia energética, además de permitir una integración holística ambiental.

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

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4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Determinar la composición fisico-química y microbiológica de los residuos orgánicos de ganado y aves generados en la granja.

 Realizar los cálculos requeridos para el diseño del biodigestor.

 Identificar la oferta energética derivada del proceso de biodigestión, estableciendo usos en actividades productivas de la granja.

 Calcular los costos de implementación y operación del biodigestor.

5. MARCO REFERENCIAL

5.1 MARCO CONTEXTUAL

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Ilustración 1. Ubicación granja prototipo seleccionada Fuente: Google Earth

La granja denominada “La Fortuna” está compuesta por 112 cabezas de ganado (30 hembras, 80 crías, 2 machos sementales), 1 equino y 24.000 pollos (que rotan cada 45 días). La granja es subcontratista de una empresa avícola y el objeto del contrato es el levante de pollos. La empresa avícola paga a la granja una asignación mensual por el alquiler de galpones, alimentación, cuidado de los pollos y costo de servicios públicos en los que se incurra, específicamente el servicio de gas.

En la granja se definen claramente dos procesos; el avícola y el ganadero. Cada uno con una entrada y salida derivada en un producto diferente; el avícola entrega como producto final un pollo adulto de 45 días y peso aproximado de 2.700 gr cada pollo; el proceso ganadero deriva en la producción de 160 lt/día de leche para comercialización y venta de 40 terneros de 100 kilos cada uno, cada 18 meses.

5.1.1 Proceso avícola

Ilustración 2. Proceso avícola

Fuente: elaboración propia

 Recepción de Pollitos. Se reciben de empresa avícola contratante cajas

con 24.000 pollos de un día (1) de nacidos.

 Ubicación en galpones. Los pollitos se ubican en dos (2) galpones de 2.475 mt2_{cada uno; los galpones están construidos con ladrillos, malla y} techo de zinc, el piso es de tierra y cubierto con tamo de arroz para garantizarle al pollo una adecuada temperatura (Ver ilustración 3).

Ilustración 3. Galpón granja La Fortuna

Recepción pollitos

Ubicación

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Autora: Nadia Mantilla

En cada galpón se disponen comederos elaborados en metal y bebederos en plástico.

Cinco (5) días posteriores al ciclo del pollo y antes de la recepción de un nuevo lote de pollitos, se realiza la limpieza del galpón. La limpieza inicia de forma manual, con pala retiran la pollinaza, entendida como la mezcla de estiércol de pollo y tamo de arroz [73] del galpón y la depositan en un espacio de 25 m3_, aledaño al galpón para el proceso de compostaje, por cada jornada de limpieza se recogen en total, por los dos (2) galpones, 700 bultos de pollinaza de 40 kilos. Después de recogida la pollinaza se lava cada galpón con un desinfectante y se acondiciona nuevamente el piso del galpón con el tamo de arroz.

 Compostaje. Realmente no es un proceso de compostaje, lo que se hace

es amontonar el material y dejarlo al aire libre por un lapso de tiempo de 40 días, posterior a este tiempo y una vez compostada la pollinaza se empaca en bultos, para recoger los 700 bultos de 40 kilos (por el ciclo de 45 días del pollo), es decir 28.000 kilos, que posteriormente se comercializan. La pollinaza es comercializada a un valor de $2.000 bulto (Ver illustración 4).

Ilustración 4 . Almacenamiento pollinaza compostada granja La Fortuna

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Ilustración 5. Ventilación galpón granja La Fortuna

 Incubación (Ver ilustración 6). Se tienen acondicionadas 12 criadoras

(lámparas que producen calor) por galpón que permanecen prendidas los 12 primeros días del pollito; las criadoras funcionan con energía proporcionada con gas propano, en promedio se usan 7 cilindros de gas de 100 lb cada uno, por galpón (Ver ilustración 7), durante el ciclo de levante del pollo. En total, 24 criadoras consumen 14 cilindros de gas de 100 lb cada uno en el periodo de incubación del pollito. El servicio de suministro de gas para la actividad de incubación representa un costo mayor, aproximadamente se paga un valor de $2.000.000 mensuales.

Ilustración 6. Incubación galpón granja La Fortuna

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Ilustración 7. Cilindros de gas granja La Fortuna

 Levante de pollos. El pollito ingresa de un (1) día de nacido al galpón, a

partir de ese momento es incubado con criadoras por 12 días. El lote de pollitos recibidos dura un ciclo de 45 días para convertirse en pollo adulto y ser entregado a la empresa avícola contratante.

La alimentación del pollo es suministrada diariamente, en horas de la mañana, hasta el día 12 del pollo se consumen 6 bultos diarios de concentrado, después donde se considera que el pollo ha crecido se requieren 81 bultos diarios de alimento. El régimen alimentario del pollo durante las etapas de crecimiento y engorde se basa en concentrado, del cual se desconoce sus componentes, ya que es suministrado por la empresa avícola contratante. No se les suministra directamente ningún tipo de medicamento, si lo consumen es a través del concentrado (Ver ilustración 8 y 9).

Ilustración 8. Alimentación pollos granja La Fortuna

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Ilustración 9. Régimen alimentario granja La Fortuna

Los pollos consumen durante su permanencia en los galpones, 300.000 litros de agua, es decir 6.680 litros de agua diarios. Es agua es obtenida de un jagüey que brota en la granja, del jagüey se capta por medio de una (1) motobomba de ½ Hp y es conducido con manguera hasta dos (2) tanques de 1.000 lt cada uno, de los tanques se bombea con dos (2) motobombas de ½ Hp hasta los galpones.

Durante las primeras tres (3) semanas del pollo en el galpón las motobombas son encendidas por 3 horas diarias una (1) vez a la semana, en la semana 4 son encendidas por el mismo tiempo, dos (2) veces por semana. De la semana 5 en adelante se encienden por las 3 horas, 3 veces por semana.

 Entrega y salida de pollos. Los pollos que han trascurrido el tiempo de levante, 45 días, se entregan a la empresa avícola contratante para que esta continúe con el sacrificio de las aves.

 Apoyo energético al proceso

- Planta de ACPM. Una planta eléctrica de ACPM, de capacidad de 5 galones, la cual es usada en caso de corte de energía eléctrica. Es una planta exclusiva para los galpones.

- Transformador. El proceso avícola cuenta con un transformador de uso exclusivo para sus actividades, el transformador suministra la energía eléctrica requerida para el funcionamiento de las motobombas, ventiladores y bombillos.

5.1.2 Proceso ganadero

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Ilustración 10. Proceso ganadero

Fuente: elaboración propia

La ganadería de la granja es de tipo semiestabulada, se manejan 3 tipos de razas: simental, Gyr y pardo; de los 112 animales en total, 80 permanecen en establos por un tiempo de 8 horas al día, en este lapso de tiempo son alimentados con pasto de corte de tipo braquiaria, estrella y cuba 22, mezclados con alguna enzima o proteína extra (eventualmente es pollinaza compostada). Los 32 animales restantes corresponden a 30 vacas en periodo de gestación y 2 machos sementales, las cuales se dejan pastar en potreros.

El régimen alimentario del ganado en el establo es pasto de corte mezclado con proteína (pollinaza compostada, levadura de cerveza), sal y melaza.

Los 112 bovinos de la granja son distribuidos así, 30 vacas ( 17 de raza Gyr y 13 de raza pardo), en periodo de gestación por primera vez con un peso vivo en promedio 450 kilos, 2 machos sementales de 650 kilos de raza simental y Gyr y 80 crías para levante con peso promedio de 275 kilos.

De acuerdo a la información primaria mientras permanecen en establos las 80 crias generan 900 kg de estiércol diarios, material orgánico que es apilado manualmente en espacio abierto para su secado natural. Una vez seco el estiércol se esparce en los potreros. Para definir la cantidad de estiércol se recolectó de forma manual con palas en balde y se pesó en balanza de gancho analógico.

Después de las horas en el establo, el ganado es trasladado a potreros. La actividad ganadera de la granja está enfocada en la producción lechera, en donde se contempla el ordeño de vacas, la refrigeración de la leche a comercializar; y el engorde de crías para posterior comercialización.

 Apoyo energético al proceso

- Cerca eléctrica con impulsor de electroshock con postes ubicados cada 12 metros; la cerca se alimenta de 110 V, consumo de 0,045 amp y baja impedancia.

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5.2 MARCO TEÓRICO

El trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola se enmarca en el contexto de Sistemas Energéticos Avanzados como: 5.2.1 Teoría Energías Renovables. Entendida como fuentes de energía no convencionales; son esos recursos de energía renovables ambientalmente sostenibles, pero que en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal y no se comercializan ampliamente, ejemplo: la energía eólica, la energía solar, la geotérmica, los mares, los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos y la biomasa, la cual corresponde a la fuente energética de este trabajo de maestría [19].

5.2.2 Teoría de la Biodigestión. En este trabajo de maestría se busca una alternativa como la producción de biogás viable y eficiente para el aprovechamiento energético de una granja. Un adecuado proceso de

biodigestión puede proporcionar el combustible, biogás, para suplir las

necesidades energéticas rurales e inclusive dar cobertura a actividades de tipo productivo.

Desde la antiguedad el uso de gas a partir de material orgánico es una práctica que siempre ha intentado suplir necesidades energéticas. Los antiguos persas observaron que las verduras al pudrirse generaban un gas inflamable, en 1.776 Alessandro Volta recogió gas del Lago de Como para examinarlo, sus hallazgos mostraron que la formación del gas dependía de un proceso de fermentación y que puede derivar en una mezcla explosiva con el aire. El físico inglés Faraday también realizó algunos experimentos con el gas y lo identificó dentro del grupo de hidrocarburos. Un poco más tarde, alrededor del año 1.800, Dalton, Henry, y Davy first describen la estructura química del metano [20].

En la segunda mitad del siglo XIX se inició en Francia la investigación sobre el proceso de digestión anaerobia para la producción de gas. En este estudio se detectaron microorganismos que hoy en día se sabe que son esenciales para la fermentación [21]. Louis Pasteur trató de producir biogás en 1.884 a partir de estiércol de caballo recogido de las calles de París, alcanzó a producir 100 litros de metano a partir de 1 m3_{de estiércol fermentado a 35°C [20].}

(27)

Desde los años 80 estudios han revelado que el 76,4% de la energía bruta consumida en las zonas rurales de Egipto se origina a partir de energías renovables como la construcción de los residuos de cultivos y aprovechamiento de estiércol, mientras que el 23,6% de las necesidades se satisfacen con fuentes de energía convencionales [23].

En la actualidad los biodigestores se concentran en países en desarrollo, con más de cinco millones construidos en países como India y China. Los digestores construidos alrededor del mundo varían en su complejidad de diseño, materiales de construcción y costos. En los países en desarrollo, muchos de los digestores no mezclan sus componentes, no requieren supervisión continua, y son adaptables a cualquier clima tropical [24].

La digestión anaerobia es el proceso de descomposición natural de material

orgánico (residuos animales y vegetales) en ausencia de aire, de donde se genera gas y lodo [11]. El gas resultante en este proceso se conoce como biogás. La digestión anaerobia es un método eficaz para convertir los residuos de la ganadería en: biogás (rico en metano), que se puede utilizar para generar calor o electricidad; durante este proceso el 30 a 60% de la materia orgánica es convertida en biogás.

(28)

Ilustración 11.Digestión anaerobia

Fuente: emaze – energizar [29]

El proceso de digestión anaerobia puede darse de dos formas: mesófila, que es cuando la temperatura de digestión oscila entre 30 y 35ºc con permanencia en el biodigestor de 15 a 30 días; y termófila, cuando la temperatura es mayor que la anterior (llega a un promedio de 55ºc) con tiempo de residencia en el biodigestor de 12 a 14 días. Esta última tiene un rendimiento y producción de metano más alto que la mesófila pero requiere mayor control y monitorización [24].

Ilustración 12.Fases de digestión anaerobia.

Fuente: Residuos solidos urbanos [67].

De la digestión anaerobia se obtiene como producto el biogás, mezcla de gas producido por arqueas metanogénicas que transforman material biodegradable en condiciones anaerobias (biogás), está compuesto de 60 a 80% de metano, 30 a 40% de dióxido de carbono (gas carbónico) y trazas de otros gases, como nitrógeno 1 a 2%, ácido sulfhídrico 0 a 1%, monóxido de carbono 0 a 1,5%, hidrógeno 5 a 10%, oxigeno 0,1% y vapor de agua 0,3%. El biogás tiene un poder calorífico entre 4.500 y 6.500 kcal/ m3, una temperatura critica de 82,5ºc, presión critica de 673,1 psi, con solubilidad baja en agua y densidad de 1,09 kg/m3 [25].

El metano determina el poder calorífico, la producción y la rentabilidad del biogás

por ser el de mayor porcentaje, generado en la digestión anaerobia [26]. El porcentaje de metano, la producción de biogás y su rendimiento se presentan en las tablas 1 y 2 (Ver tabla 1 y 2).

Tipo de sustrato/estiércol Producción de biogás (m3/t)

(29)

Cerdos 40

Pollos 65

Personas 30

Restos agrícolas 100

Restos de comida 220

Grasas de cocina 600

Tabla 1 Rendimiento de Biogás para distintos tipos de estiércol

Fuente: [26]

Tipo de estiércol Vacunos Porcinos Pollos

kg

estiércol/día*animal -1

23,587 3,401 0,0454

Biogás (m3_)/kg estiércol

0,023 – 0,040 0,040 – 0,059 0,065 – 0,116

Biogás (m3_)/kg animal*día-1

3,13 * 10-3 4,77 * 10-3 5,51 * 10-3

Peso del animal (kg)

500 70 2

Biogás

(m3_{)/animal*día}-1

1,565 0,334 0,11

Energía

(kcal)/animal*día-1

8.295 1.170 583

Tabla 2 Producción de biogás para varios tipos de estiércol/sustratos

Fuente:[26]

El tipo de sustrato, los diferentes parámetros ambientales, la velocidad de carga volumétrica y el tiempo de retención, constituyen los factores que pueden llegar a afectar los microorganismos presentes en la producción de biogás. La agitación o proceso de mezcla en un proceso de biodigestión es fundamental para garantizar la uniformidad del material orgánico y el cubrimiento total del biodigestor.

Para poder identificar las condiciones del sustrato es preciso conocer la actividad metanogénica. Este proceso indica la capacidad de la biomasa para transformar la materia orgánica en metano; se define como la masa de sustrato en forma de DQO(Demanda Química de Oxígeno) que es convertida a metano por unidad de masa de biomasa y por unidad de tiempo, se expresa en: gDQO- CH4/gSSV día.

La actividad metanogénica se mide bajo condiciones de saturación de sustrato.

(30)

temperatura de 30°C y 35°C. En estas condiciones los microorganismos presentes en el estiércol podrán llevar a cabo la transformación del sustrato.

El resultado obtenido del análisis de lo mencionado anteriormente cuantifica la capacidad microbiana o consorcio microbiano para generar metano [78].

Ciertos parámetros ayudan al proceso metanogénico y hacen parte de una caracterización del sustrato, estos son: temperatura (T), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), conductividad, alcalinidad, nitritos y nitratos, fosfatos, sulfatos, humedad, materia orgánica, hierro, pH, oxígeno disuelto, relación carbono – nitrógeno. Estos parámetros ayudan a conocer la capacidad que tiene el sustrato para generar metano.

Particularmente en cuanto a procesos de biodigestión de estiércol vacuno o avícola, con su caracterización se puede estimar la carga de digestor y la producción de biogás. La carga volumétrica es el volumen de material orgánico que es cargado en el biodigestor diariamente, y está afectada directamente por la dilución utilizada en relación inversa con el tiempo de retención [26]. Se ha determinado en diferentes estudios técnicos que se requieren de 2 a 3 cabezas de ganado vacuno o de 90 a 100 aves para producir un metro cúbico de biogás, para estimar un comparativo se puede expresar que una granja pequeña doméstica se alimenta con una carga del digestor de hasta 1,5 m3/día [11].

El tiempo de retención de la carga depende de las condiciones de temperatura y

de la tasa de reproducción de las arqueas metanogénicas, encargadas de la fermentación del metano que saldrán con los efluentes del biodigestor [26].

La producción de biogás a partir de la digestión anaerobia se ve amenazada

por unos compuestos inhibidores, que deben ser controlados en el proceso de operación de la biodigestión. El amoniaco es el más tóxico de los inhibidores, afecta la producción de metano, disminuye el pH y en un 50% la acción de las arqueas metanogénicas. Los sulfatos también promueven una inhibición primaria causada por la competencia por los sustratos de bacterias reductoras y una inhibición secundaria debido a la toxicidad de los sulfuros para los diferentes grupos de microorganismos [16].

En la literatura se han presentado diversos tipos de biodigestores, algunos de ellos se presentan a continuación:

(31)

Ilustración 13. Tipo Hindú

Fuente:[18]

Tipo Chino. Utilizado principalmente con residuos agrícolas [18]. 30 – 60 días de

retención [27]. Tambien llamado de domo fijo, es una cámara hermética construída de ladrillos, hormigón o piedra [22].

Ilustración 14. Tipo Chino

Fuente: [18]

(32)

Ilustración 15. Tipo Discontinuo y continuo

Fuente:[26]

Biodigestor con desplazamiento horizontal. La materia orgánica diluida circula

en flujo pistón [26].

Ilustración 16. Tipo Discontinuo y continuo

Fuente:[26]

Biodigestor de polietileno [22]. Se caracteriza por ser de materiales flexibles de

(33)

Ilustración 17. Biodigestor de polietileno

Fuente:[27] y [22]

El biodigestor de tubos de polietileno de bajo costo inició en Taiwan en el año 1.960 utilizando el nylon, en la década de los 70 se propuso un modelo tubular de flujo continuo flexible basado en el "barro rojo PVC" diseño de la bolsa por Pound, Bordas y Preston en 1.981 [28] para después ser remplazado por polietileno por primera vez en Etiopía y en Vietnam donde el auge se dio por parte de los agricultores, hoy en día 18.000 plantas de biogás existen desde el año 2.005 y otras 150.000 fueron construidas en 2012 [20]. A continuación, en Colombia se instaló en el año 1.986 y siguió funcionando hasta 1.995, cuando se cambió la membrana / film plástico; desde 1.986, cerca de 30 biodigestores por año de este tipo se han instalado [11].

Se debe establecer un método de recolección y carga del estiércol desde el sitio de la generación hasta la ubicación del biodigestor, de manera tal que se cumpla con estándares de cantidad y frecuencia de recolección. Una vez dispuesto en el lugar de aprovechamiento debe adecuarse un sitio de recepción, dosificación y entrada del material orgánico al biodigestor. Posteriormente se inicia el trabajo del biodigestor, compuesto de un reactor y en donde se proveen las condiciones para el desarrollo del proceso de producción del biogás.

Para lograr un proceso de aprovechamiento energético a través de la

producción de biogás es preciso tener consolidado un esquema de recolección

de los residuos, biodigestor o reactor, almacenamiento para el gas y tubería de conducción.

El diseño y la estructura del biodigestor deben ajustarse a las condiciones locales de temperatura, recursos económicos disponibles, características del estiércol, proceso de mezcla, espacio disponible, energía que se quiere obtener, etc.

(34)

66% de metano presente en el gas producido, y han resuelto requerimientos energéticos para la preparación y cocción de alimentos en zonas rurales. Asimismo el efluente del proceso de biodigestión presenta caracteristicas de bajo olor y altas concentraciones de oxigeno disuelto que lo hace apto como fertilizante orgánico [24]. Los siete biodigestores evaluados están construidos del mismo material (modelo plástico polietileno) pero difieren en longitud, fuente y manejo de material organico y aguas residuales. Los objetivos principales del estudio de biodigestores realizado en Costa Rica son poder determinar las características en el proceso de tratamiento de las aguas residuales del estiercol que deben ser monitorizados en el futuro e identificar la variabilidad de los parametros de la calidad del agua y la concentración de metano entre los diferentes digestores [24].

Nepal, un país en desarrollo, tiene 145.000 plantas de biogás para una población de aproximadamente 20 millones, está catalogado como el país con el mayor número de plantas de biogás por habitante [29].

En la India se estima que existen 2,5 millones de plantas de biogás con tamaño medio que generan de 3 a 10 m3_{. Esta cantidad se considera suficiente para} abastecer a una familia campesina promedio, con 4 vacas, y necesidades energéticas para cocinar, calentar e iluminar [29].

En los países de América Latina, por ejemplo, Argentina, Perú, Brasil, Chile y México, la implantación de plantas de biogás es más reciente. Las construcciones son simples similares a las de Asia, con un volumen de reactor de 2 - 10 m3 _[29]. El biogás tiene un valor energético alto y puede transformarse en electricidad o calor; además los subproductos (desechos, lodos) poseen riqueza de nutrientes y capacidad de fertilización de suelos [26]. El uso del biogás producido puede estar direccionado al aprovechamiento de energía térmica en estufas de gas, energía mecánica en motores de explosión, iluminación con lámparas de gas y producción de fertilizantes [11]. Con el biogás se disminuyen los consumos energéticos pues se genera energía y se reemplazan de combustibles fósiles contaminantes (Ver tabla 3).

Recurso Población Rendimiento del

potencial de

metano (m3_/día)

Salida de

electricidad

potencial al año (TWhe/año)

Ganado 12,200,000 5,700,000 6,2

Cerdos 7,900,000 800,000 0,9

Aves 124,000,000 1,000,000 1,1

TOTAL 8,600,000 9,4

(35)

Fuente: [11]

El biogás como combustible tiene una eficiencia del 60 - 70% con un valor de calentamiento de 5.513 kcal/m3_{. Si se conoce el tipo de material de desecho a} utilizar, y la cantidad y calidad de dicho material, se puede calcular la producción de biogás. En el caso de desechos animales, las cabezas necesarias para producir un metro cúbico de biogás al día, que equivale a 2,2 kilovatios/hora son: 2 a 3 cabezas de ganado vacuno de 500 kilos cada una, 5 a 6 cabezas de ganado porcino de 50 kilos ó 90 a 100 aves de 2 kilos. Con una planta de biogás puede producirse: Energía térmica en una estufa de gas, energía mecánica en un motor de explosión, iluminación con una lámpara de gas y producción alterna de fertilizantes [11] (Ver tabla 4).

EQUIPO – GASODOMÉSTICO CONSUMO DE BIOGÁS EN m3_/hora

Estufa de cocina 0,150 – 0,200

Fogón para cocinar alimentos o frutas 0,300 Lámpara de gas equivalente a una

bombilla de 60 W

0,100

Calentadores para lechones o cría de levante

0,250

Calentadores para cría de pollos 0,150 Motor biogás – diesel por b.h.p 0,420 Producción de 1 kWh de corriente

eléctrica con una mezcla biogás diésel

0,700

Tabla 4 Consumo de biogás por gasodoméstico

Fuente: [11]

Revisando la generación de residuos orgánicos producto de aves y ganado se evalúa la producción del biogás para suplir requerimientos energéticos propios de la granja, como la incubación de pollos, la cual es alimentada actualmente con gas natural.

Se hace relación a fuentes de energías renovables ya que parte de la iniciativa es beneficiar el medio ambiente y aprovechar materias primas para la producción de energía, propias de la actividad económica de la granja como los residuos animales orgánicos. Las fuentes de energía renovables están presentes y sólo requieren la transformación a una energía útil, lo que implica ciertas manipulaciones y desarrollo tecnológico que pueda hacer posible la captación, transformación y uso.

(36)

En cuanto a conceptos fundamentales para el desarrollo del trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola, se tienen entre otros:

Se plantea el trabajo dentro de la línea de investigación de las energías

renovables, entendidas éstas como las energías que se aprovechan directamente

de recursos considerados inagotables como el Sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación, la biomasa o el calor del interior de la Tierra [11]. En este caso la biomasa es el recurso sobre el cual se desarrolla el aprovechamiento (estiércol) utilizando la tecnología de la digestión anaerobia, teniendo como base el elemento del biodigestor y esperando como producto final el biogás combustible [29].

Otro concepto que enmarca el presente trabajo de maestría es el de Estiércol.

Se considera un residuo que contiene sólidos de menos de 3% y heces fecales de los animales.

En general el estiércol posee un contenido de sólidos de 8% a 25%, dependiendo del tipo de animal [11].

Por supuesto es inevitable abordar una de las alternativas más utilizadas en el ámbito mundial: el biogás [30] mediante la digestión anaerobia de materia orgánica como estiércol animal, residuos de cultivos, aguas residuales domésticas e industriales [31]. El biogás es una fuente de energía renovable que posee la ventaja de ser una fuente amigable con el ambiente con un valor calorífico de medio litro de diésel no renovable (6kWh/m3_{) por lo cual posee el potencial de} desplazar otras fuentes de energías tanto no renovables como renovables [32] Además, la implementación de este tipo de tecnologías posee varios beneficios ambientales [33] dentro los cuales se destacan: reducción en la contaminación hídrica, control en los riesgos de propagación de malas hierbas y enfermedades, además de la disminución de olores ofensivos. Otro de los beneficios ambientales asociados a la implementación de procesos de producción de biogás es el control en las emisiones de metano (gas efecto invernadero) y cuya disminución es una misión global de todos los países. Por otro lado, uno de los subproductos es una mezcla de agua y sólidos, los cuales pueden ser aplicados como abonos para la recuperación de nutrientes en suelos bajo altos regímenes de explotación agrícola [11].

En el presente documento se entiende como avicultura aquellas actividades de cuidado y crianza de aves (pollos y gallinas) [34]. La ganadería se define como la actividad de cría y manejo de animales bovinos (cebúes y taurinos) con fines de producción para su aprovechamiento [34].

(37)

avícola promedio produce alrededor de 150.000 aves por ciclo y 507 toneladas de

pollinaza o estiércol seco.

Para el caso del ganado, una vaca de 650 kg, estima su producción de estiércol semanal en 150 kg [4]. La disposición del estiércol del ganado en diferentes zonas rurales de Colombia evidencia la continuidad en prácticas tradicionales (disposición directa en el suelo de estiércol bovino y equino), que posee un impacto negativo sobre el ambiente y la salud de los diferentes asentamientos humanos cercanos a las áreas de producción agroindustrial. Debido a esto, el ICA (Instituto Colombiano agropecuario) definió una serie de resoluciones como la 189 de 2.005 y la 1.937 de 2.003 [35],donde plantea la necesidad de un proceso de sanitización de la pollinaza. El tratamiento térmico, químico o biológico permite esta sanitización que lleva la eliminación de agentes infectocontagiosos para animales y seres humanos [36].

La práctica más común para el aprovechamiento del estiércol en Colombia es el

compostaje. Esta técnica busca la biotransformación del material para llegar a la

producción del abono a través de microorganismos de descomposición. El compost tiene características homogéneas, con apariencia diferente al material de inicio, humedad y temperatura controladas y estabilidad química. En el ciclo del compostaje, el producto final tendrá aportes químicos y de nutrientes en el suelo.

El compostaje tiene múltiples beneficios ambientales, se aprovechan los residuos orgánicos, se disminuye el volumen a disponer en rellenos sanitarios, el compost es utilizado como restaurador o acondicionador de suelos, entre otros. Sin embargo, su uso es cuestionado porque requiere altos costos de creación y operación, representados en la construcción de obras civiles, acceso a servicios públicos para limpieza y aseo, mano de obra para la operación, espacio suficiente para el proceso, adecuación de pilas para almacenamiento y descomposición, herramientas y equipos; producción de olores desagradables, proliferación de vectores de contaminación y altos consumos de energía.

6. METODOLOGÍA

(38)

Este trabajo de maestría se orienta metodológicamente por un enfoque de corte experimental, que culmina con la presentación de un documento final que determino el aprovechamiento energético sostenible de los residuos sólidos de aves y ganado en procesos industriales en una granja prototipo.

Asimismo, se siguió este método para la realización de una caracterización fisicoquímica y microbiológica del estiércol de ganado y aves, producido en una granja seleccionada como prototipo, ubicada en el departamento de Santander.

La caracterización y el análisis físico químico y microbiológico del estiércol del ganado y del pollo permiten comprobar si esta materia orgánica cumple con las características mínimas para la producción del biogás; identificar los niveles de los parámetros a medir en la caracterización nos permite conocer las sustancias en exceso o ausencia que puedan ralentizar el proceso de producción de biogás; la actividad metanogénica permite conocer el potencial de generación de metano del estiércol.

El diseño del biodigestor del presente trabajo considera los parámetros técnicos requeridos para que el biodigestor sea de bajo costo y accequible para los propietarios de la granja; aunque se contempla con este trabajo de maestría disminuir los impactos ambientales y sociales de las prácticas actuales en el manejo del estiércol, no se definen indicadores de sostenibilidad para este estudio. Diseñar un sistema para el aprovechamiento energético sostenible de una granja ganadero avícola a partir de la producción de biogás.

El método llevado a cabo en el trabajo de maestría se define:

Ilustración 18. Método del trabajo de maestría

Fuente: Elaboración propia.

1. Selección

del sitio 2. Observación _{directa y registro} fotográfico en sitio

3. Métodos de cuantificación

4. Toma de muestras 5. Validación

con

(39)

Las etapas metodológicas desarrolladas fueron:

6.1 SELECCIÓN DEL SITIO

Teniendo presente el inventario de granjas avícolas en Santander realizada por Fenavi [4], se seleccionó una granja prototipo de vocación avícola y ganadera, ubicada en el departamento de Santander. La granja escogida es una muestra representativa de una población con condiciones de producción, ambientales y económicas de las granjas de este tipo de la región, además se ajusta a los siguientes criterios:

 Ubicación de fácil acceso y características climáticas, ambientales y sociales promedio de la región

 Apoyo en la consecución y levantamiento de información primaria  Interés en el trabajo de maestría

 Vinculación de una granja avícola con actividades ganaderas con número suficiente de animales para la producción de biogás.

 Aunque sea una granja particular, que sirva de prototipo para granjas del país con actividades económicas similares, previa adecuación de condiciones sociales, culturales, ambientales y normativas de cada contexto.

6.2 OBSERVACIÓN DIRECTA Y REGISTRO FOTOGRAFICO EN SITIO

Se realizaron visitas de campo a la granja seleccionada con el fin de conocer los procesos y actividades desarrolladas. Para la obtención de información primaria se tomaron datos de observación directa y registro fotográfico.

6.3 MÉTODOS DE CUANTIFICACIÓN

Se tomaron datos secundarios que constituyen el marco teórico del trabajo de maestría y se compararon con información cuantitativa tomada en sitio, correspondiente a consumos energéticos, cantidad, tipo de animal y características como peso y producción de estiércol de animales, peso de los animales, dimensionamiento del espacio.

6.4 TOMA DE MUESTRAS

(40)

de pollo y 5 kg de estiércol de vaca. La toma de muestras es la etapa esencial para lograr la caracterización fisicoquímica y microbiológica de las excretas generadas por la producción ganadera y avícola

6.5 VALIDACIÓN CON TRABAJADORES

A partir de listas de chequeo y entrevistas a los trabajadores de la granja se validó la información identificada en etapas anteriores.

6.6 DISEÑO

El diseño comprendió el almacenamiento, tratamiento y distribución del Biogás y el cálculo del potencial energético resultante para los diferentes procesos productivos.

Para el desarrollo del trabajo de maestría se tomaron las 80 crías que se encuentran estabuladas con peso promedio de 275 kilogramos. Los 24.000 pollos se descartaron del proceso por considerar que su valoración en la venta de pollinaza es superior al rendimiento económico que se puede generar con la producción del biogás.

7. DESARROLLO DEL TRABAJO DE MAESTRÍA

7.1 DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN FISICOQUÍMICA Y

MICROBIOLÓGICA DEL ESTIÉRCOL

La caracterización fisicoquímica y microbiológica del estiércol se desarrolló mediante muestreo sistemático, en donde se realizaron tres jornadas de toma de muestras de estiércol de ganado y pollos, separando cada material, recolectando en cada jornada al azar, in situ, una muestra de 5 kg de estiércol de pollo y 5 kg de estiércol de vaca. En tres días diferentes se recogieron tres muestras puntuales de estiércol bovino y de aves. Para la conservación, se almacenó y trasladó la muestra en condiciones refrigeradas, antes del análisis de laboratorio.

(41)

sulfhídrico, sulfatos, oxígeno disuelto utilizadas correspondieron a las descritas en el Manual de Procedimientos Standard Methods de agua y aguas residuales [37]. Los parámetros y métodos de análisis para las muestras de estiércol se describen a continuación:

7.1.1 TEMPERATURA

Para el cálculo de la temperatura se aplicó el método 2.550-B, Standard Methods para Medición de Temperatura, utilizando sonda multiparamétrica (Thermo Cientific Orión Star 5) [38]. El procedimiento se inicia encendiendo la sonda y se conecta cualquiera de las tres (3) opciones de medición por sonda (pH, conductividad, oxígeno Disuelto). Éstas miden automáticamente la temperatura en muestra, se introduce la sonda dentro de la muestra, se oprime la opción medir y se toma la lectura, cuando se mantenga el valor. Después se enjuaga el electrodo con agua destilada y se apaga el equipo.

7.1.2 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)

Se realizó la medición utilizando el método Standard Methods 5.220 C, Digestor-colorimetric [39]

7.1.3 CONDUCTIVIDAD

Se caracterizó utilizando el método 2.510 B para medición de conductividad por sonda multiparamétrica (Thermo Cientific) Orion Star 5 , Standard Methods 2.510 B Conductimétrico [40]. El procedimiento consistió en, una vez encendido el equipo, se conecta la sonda MiniDin de 8 pines a prueba de agua para conductividad. Se introdujo la sonda dentro de la muestra, oprimiendo la opción medir para posteriormente tomar la lectura junto con la temperatura, cuando se estabiliza el valor. Finalmente se enjuagó el electrodo, se apagó y se desconectó el equipo.

7.1.4 HIERRO