110627437 PRODUCCION de Metano Por Biodigestor

Gabriel Enrique Leal Documento 040711

Tecnología de biogás y biodigestores Rev.03 05/02/09

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PRODUCCIÓN DE

GAS METANO Y ABONO ORGÁNICO

POR MEDIO DE BIODIGESTORES



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TABLA DE CONTENIDO



1 ASPECTOS TÉCNICOS

1 OBJETO

El objetivo principal de este documento es proveer información técnica básica para

la gestión sostenible de las basuras orgánicas y el estiércol, tanto en el sector rural como en

el urbano, mediante la utilización de biodigestores y la producción de biogás y abono

orgánico a partir de estos residuos.



2 REFERENCIAS NORMATIVAS

No se han encontrado normas específicas para el tema. Se recomienda tener en

cuenta las normas relativas a instalaciones a gas en lo referente a tuberías de conducción,

mangueras, acoples y demás componentes del sistema, contenidas en las Normas Técnicas

Colombianas –NTC- citadas a continuación.

NTC 1746. Tubos de polietileno para conducción de gases a presión en

construcciones y obras civiles.

NTC 2505. Instalación para suministro de gas en edificaciones residenciales y

comerciales.

NTC 3458. Higiene y seguridad. Identificación de tuberías y servicios.

NTC 3527. Reglas comunes aplicables a la construcción y ensayo de los artefactos

que emplean gases combustibles para usos domésticos, comerciales e industriales.

NTC 3728. Gasoductos. Redes de Distribución Urbana de Gas.

NTC 3631. Ventilación de recintos interiores donde se instalan artefactos que

emplean gases combustibles para uso doméstico, comercial e industrial.

NTC 3567. Ductos metálicos para la evacuación por tiro natural de los productos de

la combustión de gas.

NTC 3833. Conductos de gas. Especificaciones para el diseño e instalación de

sistemas para la evacuación de productos de la combustión de los artefactos de gas para uso

doméstico, comercial e industrial.

NTC 3838. Gasoductos. Presiones de operación permisibles para el transporte,

distribución y suministro de gases combustibles.

NTC 4282. Instalación para suministro de gas en edificaciones industriales.



3 DEFINICIONES1

3.1 Biogás

Es la mezcla de gases producidos por bacterias metanogénicas que transforman

material biodegradable durante la digestión o fermentación de la materia orgánica en ausencia de

aire y específicamente de oxigeno, es decir en condiciones anaerobias. Está compuesto de 60 a

80% de metano, conocido también como gas natural o gas Grisú; 30 a 40% de dióxido de

carbono y trazas de otros gases como nitrógeno, ácido sulfhídrico, monóxido de carbono e

hidrógeno. El biogás tiene un poder calorífico entre 4.500 y 6.500 kcal/ m3 y es un

combustible confiable si su contenido de metano es superior al 50 % (Sasse et al 1991).

Tabla 1 - Composición del biogás Componente Porcentaje

Metano 60 – 80 Gas Carbónico 30 – 40

Hidrógeno 5 – 10

Nitrógeno 1 – 2

Monóxido de Carbono 0 - 1.5

Oxígeno 0,1

Ácido Sulfhídrico 0 – 1

Vapor de agua 0,3

Características del Metano

Densidad 1,09 kg/m3

Solubilidad en agua Baja

Presión crítica 673.1 Psia* Temperatura crítica 82,5ºC*

Poder calorífico 4500 a 6500 kcal/ m3

En términos generales se lo define como una mezcla de gases cuya composición

varía de acuerdo con los detalles de su producción (Hesse 1983;).

Entre sus propiedades físicas mas notorias se encuentra su capacidad de quemarse

casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21,5 MJm-3

(573

1 A partir de: Unidad de Planeación Minero Energética. Formulación de un Programa Básico de

Normalización para Aplicaciones de Energías Alternativas y Difusión. Documento ANC-0603-19-01. Guía

para la Implementación de Sistemas de Producción de Biogás. Versión 01. Unión Temporal ICONTEC –

AENE. Bogotá, D.C., Marzo de 2003



BTU por pie cúbico o 5.135 kcalm3), valor que puede variar entre 19,7 y 23 MJm

3. Su

temperatura de auto-ignición es similar a la del metano puro y varía de 923 K hasta 1.023 K

(650-750 C). Como media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 MJm3 (4.700-5.500

kcalm3) (Hesse 1983).

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para2:

generar 1.25 kw/h de electricidad

generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt

poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora

hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos

hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas

En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero los más usados

son los motores de gas-Otto y los de gas-Diesel (Dohne 1998). Un metro cúbico de biogás

puede compararse con 0.4 kg. de aceite diesel, 0.6 kg. de petróleo o 0.8 kg de carbón.

Su presión de almacenamiento define la distancia a la que se puede transportar a

través de tuberías. Con una presión de 0.8 kN m2 (8 cm de columna de agua) se puede

transportar 1 m3

de biogás por hora en una tubería de 1.27 cm (1/2”) a una distancia de 20

m; en tuberías de 1.91 cm (3/4”) a 150 m de distancia; en una tubería de 2.54 cm (1”) a

500 m. Si se aumenta el diámetro de conducción, las distancias se deben disminuir.

3.2 Caloría

Cantidad de calor necesario para elevar un grado centígrado un gramo de agua. En

esta unidad se expresa también el contenido energético de los alimentos, pero se emplea un

múltiplo de ella, la Kilocaloría. Una Kilocaloría (Kcal) equivale 3,96800 BTU, sigla de

British Thermal Unit. Es una unidad para medir la cantidad de energía contenida en un

material dado. Técnicamente un BTU es la cantidad de calor requerida para subir un grado

Fahrenheit la temperatura de una libra de agua.

2 Principales usos del biogás según Hesse (1983)



3.3 Carga del Digestor

Esta indica el volumen de biomasa que se introduce al sistema o el material que

debe ser procesado y con que frecuencia. Las plantas de biogás domésticas y de pequeñas

granjas se alimentan con cargas de hasta 1,5 m3/día.

Las plantas con cargas mayores pueden requerir control de temperatura y agitación

mecánica.

3.4 Contenido Total de Sólidos

Indica la fracción del peso total de sólidos orgánicos en la mezcla acuosa. Se

expresa en porcentaje

3.5 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

Medida del oxigeno requerido por las bacterias para la oxidación de la materia

orgánica presente en las aguas.

3.6 Digestión Anaerobia

Proceso de oxidación y transformación de la materia orgánica en gas y lodos, en

ausencia de aire, que se realiza en la naturaleza como parte de la cadena alimenticia de

ciertos microorganismos (bacterias anaerobias). El gas resultante en este proceso se conoce

como biogás. El proceso de digestión tiene lugar en un digestor sellado el cual crea las

condiciones ideales para que las bacterias metanogénicas fermenten el material orgánico sin

presencia de oxigeno. Durante este proceso el 30 a 60% de la materia orgánica es

convertida en biogás.



3.7 Digestión Criofílica

Se realiza a temperaturas entre 10 ºC y 20 ºC. A esta temperatura la reacción es

muy lenta y casi nula, la carga debe permanecer en el digestor más de 100 días; la

producción de Metano se detiene debajo de los 17 ºC.

Este es el principio utilizado por los refrigeradores domésticos para conservar,

alimentos perecederos, entre los 4 ºC a 6 ºC. Por debajo del punto de congelación del agua

cesa completamente cualquier fermentación, por lo cual, la carne congelada se conserva casi

indefinidamente.

3.8 Digestión Mesofílica

Se realiza a temperaturas entre los 17 ºC y 40 °C (60–104 ºF). Con una temperatura

óptima de 35 – 37 ºC (95-99 ºF), la carga debe permanece en el digestor 15 a 30 días. Este

tipo de proceso tiende a ser más confiable y tolerante que el proceso termofílico, pero la

producción de gas es menor y se requieren digestores de gran tamaño.

A esta temperatura la fermentación es rápida y efectiva desde el punto de vista de

velocidad de degradación de la materia orgánica. Es por esta razón que los alimentos se

pudren rápidamente en tierra caliente cuando no están refrigerados.

3.9 Digestión Termofílica

Se realiza a temperaturas mayores entre los 40 ºC y 64 ºC ( 104-149 °C) en un

tiempo de 12 a 14 días. La producción de metano es más alta, los caudales más rápidos,

mejor eliminación de patógenos y virus, pero requieren tecnología más costosa, consumen

más energía y requieren mayor asistencia y monitoreo.

A una temperatura ideal de 55 ºC la fermentación es extremadamente rápida y

efectiva, pero también es supremamente sensible a los cambios bruscos de pH y temperatura.

En el rango criofílico el estiércol del ganado tardaría aproximadamente 120 días en

degradarse, mientras que en el mesofílico, puede durar entre 40 y 55 día y en el rango

termofílico la operación tardaría unos 4 a 5 días. Se deduce entonces que con un control



adecuado de temperatura de la masa en fermentación, se puede lograr una aceleración

considerable en la velocidad del proceso.

3.10 Efluente

Subproducto de la digestión anaerobia el cual es una solución orgánica estabilizada

que puede ser utilizada como fertilizante, para riego y piscicultura.

3.11 Estiércol Líquido

Es el orín de los animales que tiene un contenido de sólidos de menos de 3%. El

orín se “lava” utilizando agua fresca o reciclada. Estos residuos también pueden utilizarse

para la obtención de biogás en climas cálidos.

3.12 Estiércol

Son las heces fecales de los animales. En general el estiércol posee un contenido de

sólidos de 8% a 25%, dependiendo del tipo de animal. Este puede ser mezclado con agua

para ser alimentado al digestor en relación de 10 a 1.

3.13 Gas Metano

Es un hidrocarburo conocido también como gas de los pantanos. Es más ligero que

el aire, incoloro, inodoro e inflamable. Se encuentra tanto en el gas natural como en el gas

grisú de las minas de carbón, en los procesos de las refinerías de petróleo y como producto

de la descomposición de la materia orgánica y en los pantanos. Es apreciado como

combustible y tiene un punto de fusión de 182,5 °C y un punto de ebullición de 161,5 °C.

En el aire se encuentra en pequeñas cantidades y su presencia en la atmósfera contribuye



notablemente al calentamiento global del planeta y al cambio climático por lo que se le

considera como gas de invernadero. Su fórmula es: CH4.

3.14 Grado de Digestión

Este indica cuánto gas se obtiene en comparación con la producción potencial. La

diferencia con el 100% indica qué cantidad de materia orgánica no ha sido procesada. En

plantas de biogás sencillas, el grado de digestión alcanza alrededor del 50%. Esto significa

que la mitad de residuos orgánicos queda sin aprovechar y salen como fertilizantes en el

efluente.

3.15 Masa de Agua

Cantidad de agua necesaria para mezclar con la materia prima con el fin de obtener

la carga diaria al digestor, en las condiciones de mezcla de 10 partes de agua por 1 de

sólidos orgánicos.

3.16 Masa Orgánica Seca (SO)

Es el contenido de materia orgánica de un estiércol expresado como masa orgánica

seca. Para el proceso de digestión son importantes sólo los componentes orgánicos o

volátiles de los residuos orgánicos, por lo tanto se trabaja solamente con la parte orgánica

del estiércol.

3.17 Materia Prima

Es la totalidad de residuos orgánicos que pueden recolectarse y que pueden ser

utilizados para cargar el biodigestor. Esta guía utiliza los términos residuos orgánicos y



materia prima para destacar la importancia de considerar este material como un recurso

renovable (biomasa).

3.18 Niveles de Amoniaco

Concentración de iones NH4 en la mezcla acuosa (agua más estiércol) utilizada para

cargar el biodigestor, este parámetro cobra importancia cuando se utilizan determinados

materiales que contienen un alto porcentaje de nitrógeno, como es el caso del estiércol de

aves, el cual acidifica la carga del biodigestor e inhibe el proceso de gasificación.

3.19 pH

Concentración de íones hidrógeno (H+) o hidróxidos (OH+) que determinan la

acidez o basicidad de una sustancia. El pH se mide de 0 a 14 siendo 7 una solución neutra,

de 0 a menor de 7 ácida y mayor de 7 a 14 básica. La concentración de CO2 en la carga, la

concentración de ácidos volátiles y la propia alcalinidad de la materia prima hacen variar el

pH del biodigestor.

3.20 Potencial de Producción de Biogás

Se refiere al volumen de gas teóricamente obtenible de una materia prima, en

función de la producción específica y de la cantidad disponible de materia orgánica seca.

Aunque el producido no puede juzgarse independientemente de otras variables del proceso.

3.21 Producción Específica de Gas

Es la cantidad de gas medido en m3 que se obtiene de un biodigestor por unidad de

masa orgánica seca alimentada al mismo. En la práctica ella indica la producción de gas

que se obtiene de una determinada materia prima durante un tiempo de retención dado y a

la temperatura de operación del digestor.



3.22 Relación Carbono Nitrógeno

Proporción entre el carbono y nitrógeno presentes en la mezcla de carga. La

literatura reporta que la relación Carbono/Nitrógeno está ligada directamente a la

producción, entre mayor sea esta relación y se ajuste al intervalo recomendado (20 a 30

partes de carbono por una de nitrógeno) mayor será la producción de gas por unidad de

materia útil. Esta es una de las razones por las cuales el estiércol animal constituye la

materia prima de mayor difusión.

3.23 Sólidos Totales (ST)

Es el contenido de sólidos totales presentes en un estiércol, orín o material orgánico

que se alimenta a un biodigestor, se expresa en porcentaje o peso de sólidos secos.

3.24 Tiempo de Retención (TR)

Es el lapso (en días) durante el cual la carga alimentada permanece en el digestor y

es el tiempo necesario para la digestión del material orgánico a la temperatura de operación

del digestor. El TR es inversamente proporcional a la temperatura.



4 TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

4.1 PROCESOS DE FERMENTACIÓN EN UNA ETAPA

4.1.1 Lagunas de Oxidación

Estas lagunas o lagos de estabilización para aguas residuales y desperdicios

contaminantes en general, han sido práctica común en muchas partes del mundo y usadas

durante varios siglos.

En estos lugares ocurren dos tipos de fermentación al tiempo. En la superficie y

hasta cierta profundidad el proceso es Aeróbico, debido a la interacción del Oxígeno del

aire con el Agua y la acción del viento en la superficie de la laguna. Se produce el

desprendimiento de gases en forma de Dióxido de Carbono (CO2) y Amoníaco (NH3).

En las partes más profundas, aproximadamente 1,5 metros, el proceso es Anaeróbio,

con desprendimiento de Gas Metano (CH4), Dióxido de Carbono (CO2) y Acido Sulfhídrico

(H2S) en pequeñas cantidades.

Este sistema tiene dos inconvenientes, el mal olor producido por los gases que salen

a la atmósfera y la gran extensión que ocupan.

En lagunas pequeñas es posible cubrir la superficie con aceite o algún tipo de grasa

para lograr una única y mayor actividad de fermentación anaeróbia y disminuir la Demanda

Química de Oxígeno (QOD) y la Demanda Biológica de Oxígeno (BOD) de las aguas

negras que entran en ellas, su profundidad se puede incrementar hasta 4 - 5 metros;

funcionan como enormes colectores solares pasivos, absorviendo energía y aumentando la

temperatura interna, lo cual lógicamente, acrecienta su velocidad de reacción y por

consiguiente su efectividad.



4.1.2 Rellenos Sanitarios

En la mayoría de ciudades del mundo la disposición de desechos sólidos se ha

realizado mediante rellenos sanitarios, unos construidos técnicamente y otros, los más,

simplemente acumulando las basuras indiscriminadamente sobre un lote de terreno.

Actualmente, estos rellenos brindan la posibilidad de producir Gas Metano de la

Biomasa con alto contenido de sólidos, tal como se presenta en los desperdicios de las

industrias alimenticias y los sobrantes de cosechas.

Tal como ocurre con las lagunas de oxidación, en la parte superior de los rellenos se

produce una fermentación Aeróbia y en las inferiores una Anaeróbia, causa de los malos

olores que se perciben en los alrededores de los rellenos.

Este sistema, causa la contaminación de las aguas subterráneas por el deslave de

compuestos solubles que arrastran las aguas lluvias, afectando la acidez del terreno con la

consiguiente destrucción de la vegetación y descarga de microorganismos que en muchos

casos son de tipo patógeno. Estas condiciones también afectan la alcalinidad, acidez y

dureza de las aguas superficiales y subterráneas expuestas a su contacto.

El Barrio Class de Bogotá fue construido sobre un relleno sanitario; sus habitantes

aprovecharon el gas metano al enterrar en el suelo un tubo perforado de unas 2" de

diámetro y obtener un flujo de Gas combustible que llevado adecuadamente hasta estufas y

fogones servía para la cocción de alimentos.

4.1.3 Pozos Sépticos

Es el más antiguo y sencillo digestor anaeróbio que se conoce, utilizado

normalmente para la disposición de aguas negras domésticas. Se cree que de allí deriva el

uso potencial de los gases producidos por la fermentación anaeróbica, para el uso

doméstico.

En la ciudad de Exeter, Inglaterra, se utilizó en el año de 1895, el gas de un pozo

"debidamente diseñado", para el alumbrado público de las calles. Posteriormente, durante

la década de 1920 varios equipos de estos se construyeron y utilizaron en diferentes lugares

de Inglaterra.

En otra ciudad, Birmingham en 1911, el principio de operación de los pozos

sépticos proporcionó la base tecnológica para diseñar una de las primeras plantas de



digestión Anaeróbica, capaz de manejar las aguas negras de una gran ciudad y producir

electricidad. De allí partió la tecnología básica de fermentación anaeróbica que opera

actualmente en ciudades como Miami, Chicago, Los Angeles y Washington en los Estados

Unidos.

Para la correcta operación de estos pozos es requisito indispensable aislar las aguas

negras que caen en él, de las que contienen jabón o detergentes, siendo éste uno de los

errores más comunes en la construcción de pozos; las viviendas conectan todos los

desagües de duchas, lavamanos, lavaderos y lavaplatos con la cañería de aguas negras que

conduce al pozo séptico. El efecto de los jabones y en especial los detergentes, inhibe la

acción metabólica de las bacterias, razón por la que los pozos se colmatan con rapidez y

dejan de operar, haciendo necesario destaparlos frecuentemente para recomenzar la

operación.

Cuando no es posible separar las aguas negras de las jabonosas, como en el

alcantarillado urbano, es necesario hacer un tratamiento químico con Polímetros a las aguas

negras a fin de solucionar el problema antes de iniciar la fermentación anaeróbica.

La tecnología de los biodigestores permite producir biogás y fertilizante líquido,

mediante el tratamiento de desechos orgánicos, por el proceso de digestión anaerobia. Este

tipo de fermentación es un proceso natural, que ocurre en ausencia de oxígeno (sin aire) y

produce, como resultado final, un gas combustible conocido como Biogás o gas Metano

(CH4) y Dióxido de Carbono (CO2), además de un efluente líquido alcalino que es un

excelente abono orgánico. Aunque es conocido por el hombre desde tiempo atrás ha sido

poco utilizado, especialmente en países del continente suramericano.

En el desarrollo de este proceso ocurren simultáneamente tres etapas dentro del

sistema:

1. Primera Etapa

Ocurre una hidrólisis generalizada de la materia orgánica compleja adicionada al

digestor, realizada por encimas producidas por diversas bacterias: proteolíticas, lipóticas y

carbolíticas, que destruyen inicialmente las proteínas, grasas y carbohidratos presentes.

2. Segunda Etapa

El producto de la primera etapa, es tomado por un segundo tipo de bacterias,

conocidas generalmente como acidogénicas, que transforman la materia orgánica

hidrolizada, en ácidos orgánicos de bajo peso molecular, principalmente ácido acético

(CH3COOH) y ácido propiónico (C2H5COOH).

3. Tercera Etapa

Los ácidos de bajo peso molecular obtenidos, son a su vez tomados por un tercer

grupo de bacterias, llamadas propiamente metanogénicas, que los transforman en Gas

Metano y Dióxido de Carbono.



El comportamiento microbiológico es más complejo que estas tres etapas; dentro de

un biodigestor en operación ocurren multitud de reacciones y fermentaciones simultáneas

de docenas de bacterias diferentes, que trabajan de forma simbiótica y elaboran gran

variedad de productos, que a su vez son tomados por otras bacterias que retransforman para

otros grupos. Por lo anterior, con el Bio Gas se encuentran trazas de Hidrógeno (H2),

Nitrógeno (N2), Acido Sulfhídrico (H2S) y otros. Cualquier cambio brusco que ocurra

dentro del digestor en funcionamiento destruirá el delicado equilibrio establecido en el

sistema y el proceso se detendría o desviaría la reacción para otro lado.

Casi un 75% del Gas Metano producido durante el proceso, proviene del ácido

acético formado en los pasos intermedios. El Hidrógeno producido por algunas bacterias se

recombina en forma casi instantánea con Dióxido de Carbono para formar Metano y Agua

en un proceso llamado de Bio metanización.

Varios factores alteran el proceso de fermentación anaeróbia; el más importante de

ellos es el cambio en la acidez del sistema. El punto óptimo de fermentación está entre los

7.2 y 7.8 de la escala de pH, es decir un tanto alcalino.

Una vez establecida la reacción metanogénica total, con la adición de las bacterias

adecuadas en cantidad y calidad suficientes y se haya estabilizado el pH de la misma por

encima de 7.2, la reacción es muy estable y la gran cantidad de Bio masa en fermentación

actúa como una solución Buffer, que se opone a cualquier cambio brusco dentro de ella. Si

por algún motivo se llegara a bajar el pH a 6.5 o menos, cesa completamente la producción

de Metano, pero la fermentación continuaría, produciendo principalmente Dióxido de

Carbono.

Otro factor importante a tener en cuenta para la adecuada fermentación es la

temperatura de la masa durante el proceso, en tres rangos de operación bien definidos:

1. El criofílico, que opera por debajo de los 15 ºC (59 ºF).

2. El mesofílico, opera entre los 17 ºC y los 40 ºC (60 a 104 ºF).

3. El termofílico, que opera a temperaturas entre los 40 a 64 ºC (104 a 149 ºF)

con un ideal de 55 ºC.

El grado y la calidad de la agitación interna que se logre, es otro factor que ayuda a

mejorar y acelerar la eficiencia de la fermentación anaeróbica, pues da oportunidad a las

bacterias de estar en contacto con material no digerido.

Un factor limitante del proceso anaeróbio es el de la presión total de operación.

Cuando la presión hidrostática a que están sometidas las bacterias es superior a 4 PSI, su

velocidad de trabajo se reduce en un 50%. Con el aumento de presión disminuye el

rendimiento pero no llega a detenerse el proceso.



En digestores sencillos, cuyo ancho es menor que la profundidad y sin más efecto de

agitación que el burbujeo del gas producido, cuando sube a la superficie, no se debe

sobrepasar una profundidad efectiva de líquido de 3.6 metros. Si se ha de sobrepasar esta

profundidad, es necesario proporcionar agitación mecánica para que las bacterias puedan

operar a diferentes profundidades.

4.2 GENERALIDADES DEL PROCESO

Inicialmente la carga (residuos orgánicos previamente recolectados y tratados) se

adiciona al digestor por medio de un tanque de carga. La digestión anaerobia tiene lugar en

el digestor (tanque sellado) el cual crea las condiciones ideales para que las bacterias

fermenten el material orgánico en condiciones libres de oxigeno. Es posible que el digestor

necesite de calentamiento y de agitación para lograr dichas condiciones y para que de esta

manera las bacterias conviertan la materia orgánica en biogás. Durante este proceso entre

el 30 y 60% de los residuos orgánicos se convierten en biogás.

El biogás producido es atrapado en la parte superior del digestor y es removido

dejando una tubería por la cual sale el gas colectado. Se utiliza un medidor de gas para

monitorear el flujo de gas. Algunas veces se necesita un lavador de gases para limpiar

componentes corrosivos contenidos en el biogás como el ácido sulfhídrico. Ya que el

espacio de almacenamiento de gas es limitado (Volumen bajo la cubierta), se utiliza un

regulador de presión que controla el exceso de presión desde la cubierta. El biogás caliente

se enfría a medida que viaja a través de la tubería y que el vapor de agua en el gas se

condensa. Un drenaje remueve el condensado producido.

Cuando la producción de biogás es continua este puede ser almacenado en un

tanque, donde se recomienda su recolección y/o combustión; el biogás se utiliza para

generar calor o electricidad o ambos.

Otro subproducto de este sistema es el efluente, el cual se puede almacenar para ser

utilizado como agua para riego o fertilizante líquido.

Como se presenta en la Figura 1, un sistema de biogás se compone de los siguientes

subsistemas:

Sistema de recolección de residuos

Digestor

Sistema de almacenamiento del efluente

Sistema de conducción de biogás

Equipos o sistemas de utilización del biogás



Figura 1. Componentes de un sistema de Biogás

4.3 ORIGEN Y RECOLECCIÓN DE RESIDUOS3

Los biodigestores son una alternativa de manejo de residuos para su recolección y

almacenamiento por restricciones de tipo sanitario, ambiental y operacional. Estos residuos

pueden ser líquidos, semisólidos o sólidos y deben ser acondicionados antes de iniciar el

proceso de producción de biogás, para lograr las mejores condiciones de la carga y permitir

así el desarrollo y la acción de las bacterias. La preparación previa a que se someten los

materiales depende de su naturaleza.

El tamaño de las instalaciones es un indicador primario de sí la recuperación de

biogás será económicamente factible. Las instalaciones grandes generalmente producen

suficientes residuos, de manera continua, para mantener un proyecto de biogás. Las

instalaciones agropecuarias por ejemplo, tienen rendimientos de biogás predecibles y

disponibles para utilizar como energía, en cualquier época. Debe anotarse que el criterio de

tamaño no es absoluto y algunas fincas pequeñas también pueden realizar exitosamente

proyectos de recuperación de biogás.

La utilidad y costos de un biodigestor se deben evaluar por la producción de biogás

y los demás beneficios, tales como tratamiento de aguas, disposición de desechos y la

disponibilidad de agua para riego y fertilizante líquido.

Aunque su potencial de uso se extiende al sector urbano y su aplicación en

agricultura urbana puede constituir una solución alternativa interesante en la ormulación de

3 Adaptado de: A Manual For Developing Biogás Systems at Commercial Farms in the United States,

AgStar Handbook, First edition, EPA, US, Julio 1997, Chapter 2.



proyectos de seguridad alimentaria, por el momento la producción de biogás se adapta

mejor en fincas que recolectan residuos líquidos o semi sólidos los cuales tienen poca o

ninguna disposición. Esto hace que las condiciones para recolectar los residuos aseguren

una alimentación continua al digestor y una producción de gas también continua.

4.3.1 Origen de los Residuos

El origen de los residuos puede ser rural o urbano. Los residuos orgánicos que se

pueden encontrar en granjas o fincas pueden provenir de las siguientes fuentes:

Animales: Estiércol y orín de ganado (vacuno, porcino, equino, etc.),

gallinaza.

Residuos del procesamiento de vegetales.

Otros materiales, cuya composición debe ser evaluada ya que pueden afectar

el funcionamiento del sistema. Una evaluación ambiental debe identificar el

impacto de la utilización de las diferentes materias primas, las cuales pueden

ser:

Residuos industriales orgánicos: de industrias de bebidas

(Cervecerías), de industrias piscícolas, de industrias de papel y

textiles (Arcilla blanqueadora), de industrias lácteas (Suero lácteo),

de hatos (elaboración de queso y yoghurt).

Residuos de semillas oleaginosas

Excrementos humanos

Los residuos sólidos urbanos –RSU- se clasifican en ordinarios, peligrosos,

hospitalarios, escombros y lodos, como se aprecia en el cuadro No.1 a continuación. A su

vez es necesario clasificarlos por su origen y por su tipo, debido a que en las ciudades se

producen una gran variedad de residuos que en las zonas rurales son escaso cuando no

inexistentes.

De éstos, los residuos ordinarios orgánicos son utilizables en los procesos de

digestión anaerobia para la producción de biogás y de abono orgánico.



Cuadro No.1 Clasificación de los residuos sólidos urbanos

Es importante tener en cuenta que las sustancias tóxicas presentes en las materias

primas deben ser mínimas y que ciertos materiales no deben ser cargados al digestor ya que

interrumpen o retardan el proceso. Los materiales tóxicos que inhiben la digestión son por

ejemplo el amonio, los residuos de pesticidas, metales pesados, aceites y grasas.

Los residuos deben estar libres de sólidos y otros materiales como arena, rocas y

piedras. Algunos materiales sólidos como el aserrín o la paja muchas veces se mezclan con

los residuos. La aglutinación de sólidos bloquea las tuberías del digestor y obstaculiza la

operación. Solamente una pequeña cantidad de sólidos es tolerada por la mayoría de

digestores y en muchos casos se debe eliminar o reducir la adición de sólidos a los

digestores, mediante la construcción de un sedimentador antes del ingreso de la materia

prima.

Así mismo, otros materiales como residuos medicinales (Antibióticos) detergentes,

ácidos o bases, sustancias con elementos halógenos, etc., pueden ser nocivos para la acción

de las bacterias anaerobias. Aunque estos materiales no han sido un problema en

instalaciones de digestores a gran escala, no se han determinado límites para estos

componentes, por lo que se debe evitar que este tipo de sustancias se añadan a los residuos

conque se carga el digestor.

CATEGORÍA ORÍGEN TIPÓ

ORGÁNICO INORGÁNICO PELIGROSOS

Residuos ordinarios

Residenciales

Pequeños productores

Grandes productores

Plazas de mercado

Barrido y limpieza áreas públicas

Residuos verdes

Residuos peligrosos

Residenciales, pequeños productores

Industriales, sector servicios

Residuos hospitalarios

Patógenos Anatomopatológicos

Escombros

Excavaciones

Materiales inertes de obra

Residuos de obra

Lodos Tratamiento de aguas residuales

Limpieza sistemas de alcantarillado



4.3.2 Almacenamiento de los Residuos

La materia prima puede ser almacenada cerca al digestor o en otro sitio, aunque la

necesidad de minimizar el transporte afectará la decisión de ubicar el punto de

almacenamiento o el biodigestor. Los residuos orgánicos necesitan instalaciones de

almacenamiento apropiadas, las cuales deben planearse de acuerdo a las condiciones y

regulaciones ambientales, de higiene y seguridad.

Generalmente, muchas comunidades urbanas marginadas o instalaciones

agropecuarias recolectan los residuos en un solo punto de almacenamiento. Estas

instalaciones que recolectan y entregan los residuos en un punto en común cada día o cada

tercer día son las mejores candidatas para implementar la tecnología de producción de

biogás. El punto en común puede ser una laguna, piscina, pila, tanque (para reducir el

escape de olores) u otra estructura similar. Para esto, se deben tener en cuenta las

siguientes recomendaciones:

Recolectar residuos en un solo punto hace más fácil cargar el digestor. En

este punto, los residuos pueden ser mezclados con agua y homogeneizados

antes de que entren al digestor.

Si la instalación no tiene un punto en común de recolección, se debe evaluar la

posibilidad de unir los puntos de producción o de recolección. Si hay dos o

tres puntos de producción o de recolección de importancia, puede ser posible

utilizar más de un biodigestor.

4.3.3 Cantidad de Residuos

El principal propósito del manejo y control de la carga al digestor es maximizar la

calidad y cantidad de los productos y por tanto de los beneficios ambientales y económicos

de ésta. Dependiendo del producto que se desee obtener se afectará el criterio de calidad de

la materia prima.

Cualquiera que sea el producto que se necesite, biogás o efluente, los otros serán

afectados. Se debe realizar un balance ya que el sistema podrá ser viable solamente si se

aprovechan todos los productos del biodigestor.

Aunque existen muchos factores que influyen en la producción de biogás a partir de

residuos orgánicos, la cantidad y calidad de los residuos recolectados determina la cantidad

de biogás a ser producido. La cantidad de residuos producidos está directamente

relacionada con el número de animales o el tipo de basuras que se generen, sin embargo, se



tiene una mayor producción de biogás, si los residuos son frescos y se alimenta el

biodigestor con regularidad, evitando los contaminantes. De acuerdo con esto, la cantidad

de animales (ganado vacuno, porcino, etc.) o de basuras orgánicas condicionan el potencial

de producción de biogás y su proporción condicionan qué otros detalles técnicos se deben

tener en cuenta.

En instalaciones agropecuarias, se debe mantener como número mínimo 2–3

animales productores de residuos, como vacas, cerdos o caballos entre otros etc.), las

instalaciones deben mantener esta población relativamente constante en el año, lo cual

asegurará que una cantidad consistente de materia orgánica este disponible, de lo contrario,

las bacterias morirán de inanición. La cantidad de residuos recolectados es crítica para el

funcionamiento del digestor. Si la cantidad de residuos producidos diariamente es mayor

que la capacidad de diseño se reducirá el tiempo de retención disminuyendo la producción

de biogás y si es menor la población bacteriana disminuirá por la falta de alimento.

Para maximizar la producción de biogás, los factores clave serán el contenido de

material orgánico y el contenido total de sólidos de la mezcla de carga. El contenido total

de sólidos depende del tipo de animal que produce el residuo y de la estrategia de manejo

de residuos. La fisiología del animal y el régimen alimentario determina el porcentaje de

sólidos orgánicos. El estiércol puede tener un contenido total de sólidos de 8 a 25%,

dependiendo del tipo de animal. Adicionar agua fresca, agua residual o inyectar agua

reciclada disminuye el contenido total de sólidos, de los residuos recolectados, hasta

valores inferiores al 10%, que es lo deseable.

Las instalaciones que recolectan residuos líquidos o semi sólidos son las mejores

candidatas para proyectos de producción de biogás.

Para las instalaciones que manejan residuos sólidos con bajos contenidos de agua o

humedad y de difícil disolución en agua, no es posible adaptar esta tecnología. Éstas

necesitarán incorporar otros sistemas de manejo de residuos; deben considerarse otras

opciones de manejo de residuos como el compostaje.

4.3.4 Calidad de Residuos

La calidad de la materia prima en términos del rendimiento del gas dependerá en

parte de su frescura, entre más fresca sea, mayor será el rendimiento del gas y tendrá menos

peligro de acidificarse.

Las materias primas ácidas o básicas pueden inhibir o incluso dañar las bacterias en

el digestor.



Si bien la digestión anaerobia es un proceso complejo y largo, el cual puede

ajustarse a pequeños cambios, los cambios drásticos de materia prima deben evitarse y se

debe tener cuidado en realizar la mezcla con las cantidades de agua recomendadas.

El carbono y nitrógeno presentes en la mezcla de carga debe estar e una proporción

de entre 20 y 30 a 1, es decir 20 a 30 partes de carbono por una de nitrógeno.

4.3.5 Pretratamiento de los Residuos

Las diferentes clases de materia prima requieren diverso tratamiento, según su

consistencia sea sólida o líquida. Algunos ejemplos de pretratamiento incluyen:

Adición de agua hasta lograr una relación de 10 partes de agua por una parte

de sólidos presentes en los residuos o en la mezcla de carga.

Separación de sólidos inertes y materiales extraños, como ladrillo, arena,

gravas, troncos, etc.

Acondicionar los residuos vegetales tales como pasto, paja, hojas, tamo,

mediante un proceso de corte o picado fino, molienda, maceración, etc. Los

equipos para esto pueden ser costosos.

Mezcla y homogenización de residuos y calentamiento.

4.3.6 Relación Carbono Nitrógeno C/N

Si la relación C/N es alta, el nitrógeno será consumido rápidamente por las bacterias

metanogénicas para formar proteínas y no reaccionará con el material restante, por tanto la

producción de gas será alta. De otra parte, si dicha relación es muy baja, es decir, donde el

nitrógeno sea abundante, el nitrógeno será liberado y acumulado en forma de amoniaco, el

cual incrementara el pH de la carga en el digestor. Un pH mayor que 8.5 comenzará a

mostrar efectos tóxicos en la población de bacterias metanogénicas. Los materiales con una

relación C/N alta pueden mezclarse con aquellos de baja relación C/N para dar la relación

promedio deseada a la carga, que es de 20 a 30 partes de carbono por una de nitrógeno.



4.4 CARACTERISTICAS DEL BIODIGESTOR

El digestor es el componente del sistema de biogás que optimiza naturalmente el

crecimiento y proliferación de un grupo de bacterias anaerobias que descomponen y tratan

los residuos dejando como subproducto gas combustible y un efluente liquido rico en

nutrientes y materia orgánica estabilizada.

Basados en limitaciones externas como inversión, eficiencia del tratamiento,

rendimiento de la energía neta y rendimiento de las operaciones, el rango de las tecnologías

disponibles varía desde los sistemas muy rudimentarios hasta los más sofisticados tanto a

escala doméstica como a escala comercial. La elección de cual características del sistema

de manejo de residuos existente o que se planee instalar el cual determina el método de

carga del digestor.

4.4.1 Temperatura

Como se explicó, la temperatura es uno de los principales factores que afectan el

crecimiento de las bacterias responsables de la producción de biogás. La producción de

biogás puede ocurrir en cualquier sitio que se encuentre en el rango de temperatura de 4ºC a

68ºC. A medida que la temperatura aumenta, la tasa de producción de gas también se

incrementa y por ende disminuye el tiempo de retención de la materia orgánica dentro del

digestor. En algunos casos se hace necesario implementar un sistema de calor

suplementario para mejorar el rendimiento del proceso.

4.4.2 Método de Carga

El no cargar un digestor por una semana puede conducir a una pérdida en la

producción de biogás. Más importante aún es que el cargar el digestor en intervalos

irregulares puede interrumpir el proceso biológico y causar que el sistema trabaje

ineficientemente o hasta detenerlo completamente. Por lo tanto, muchos digestores son

diseñados para ser cargados diariamente. Con cargas continuas y descargas de material del

sistema, las bacterias trabajan eficientemente y se procesan grandes cantidades de residuos.



La recolección diaria de residuos es también eficiente en términos de conservar los

valores de nutrientes del residuo y preservar su potencial producción de gas. Cualquier

descomposición de material orgánico fuera del digestor reducirá la producción de biogás,

por lo tanto, es mejor cargar residuos frescos al digestor. Si no se recolectan diariamente

residuos, debe considerarse la opción de convertirse a esta práctica.

4.4.3 Tiempo de retención

Esta variable depende de la temperatura ambiente y junto con la carga del digestor

determinan las dimensiones del sistema. La Figura 2 presenta el tiempo de retención en

días en función de la temperatura ambiente. Es importante resaltar que no existe un criterio

unificado para obtener el tiempo de retención, por tanto se han hecho ejercicios de

simulación de la variación del tiempo de retención con datos de temperatura reportados por

varias fuentes.

La distribución de estos datos genera una curva cuya tendencia logarítmica permite

obtener el valor aproximado de los días de retención necesarios para que el proceso sea

completo en un biodigestor para una temperatura establecida. Como resultado se observa

que el coeficiente de correlación entre la temperatura y el tiempo de retención es de 0.88, el

cual aunque no es el optimo, permite obtener tiempos de retención con mayor precisión que

con los datos que reporta la literatura de manera independiente en la Tabla 2.

Tabla 2. Tiempo de retención en días reportado por varias fuentes

Temperatura 0C

BRITISH

BIOGEN

PA GTZ IIT CIPAV CONICIT

5 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

10 N.D. N.D. 100 N.D. N.D. N.D.

15 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

20 N.D. N.D. 40 N.D. N.D. N.D.

25 N.D. N.D. N.D. N.D. 50 N.D.

26 N.D. N.D. N.D. 30 N.D. N.D.

30 30 N.D. N.D. N.D. 40 30

35 15 20 20 N.D. 30 20

40 N.D. 15 N.D. N.D. N.D. N.D. 45 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

50 14 N.D. 8 N.D. N.D. N.D.

55 12 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

60 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

N.D. = No Disponible Fuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003



Figura 2. Tiempo de retención en función de la temperatura

Fuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003

4.4.4 PH

El pH de la materia prima indica si el proceso de digestión se lleva a cabo en

condiciones adecuadas. Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogás

son altamente sensibles a cambios en el pH, permiten un rango de variación entre 6 y 8

unidades de pH, teniendo como óptimo un pH de 7 a 7,2. en caso de alteraciones del pH, la

acidez resultante se contrarresta agregando un poco de cal a la materia en el biodigestor.

4.4.5 Tipo de biodigestores

Digestores Convencionales: Son los de tipo familiar usualmente conocidos como

Plantas de Bio Gas concebidos bajo dos corrientes principales de diseño a saber:

Sistema Hindú o KVICK y Sistema Chino o SZCHAWN, los cuales se describen a

continuación, así como algunas variantes que se han surgido a partir de estos dos modelos.



Sistema Hindú o KVICK

Este sistema fue desarrollado en la India en la década de los 50, después de la

Segunda Guerra Mundial, basado en las experiencias de Franceses y Alemanes durante la

guerra, pues en este periodo, campesinos de esos países recurrieron a los digestores para

obtener combustible para los tractores y calefacción doméstica en el invierno. Pasada la

guerra, cuando los combustibles fósiles fueron fáciles de conseguir y bajaron de precio, se

regresó a la comodidad de los hidrocarburos.

Dado que la India es pobre en combustibles convencionales, el Gobierno organizó la

KVICK (Kaddi Village Industri Commision), en la estación experimental de Ajithmal en

Ethawa, de donde salió el típico digestor conocido como Hindú y cuya principal

característica es la de operar a presión constante. También de allí surgió el nombre de Bio

Gas para designar a este combustible obtenido a partir del estiércol animal.

Este tipo de digestor está compuesto por un tanque o pozo generalmente de

mampostería, enterrado en el suelo utilizando la tierra como aislante para evitar pérdidas de

calor y como soporte de las paredes que ayude a contrarrestar la presión hidrostática

interna de la Bio masa en fermentación.

Recibe carga orgánica mezclada con agua en una proporción de 1:1 y máximo de

1:5, por un tubo que conecta con la parte inferior del tanque. Esta carga fresca desplaza por

simple rebose de la parte superior a la que allí se encuentra y que se recolecta en un tanque

externo para tal fin. Este efluente hidrolizado se utilizará posteriormente como abono

orgánico digerido o como suplemento alimenticio, rico en proteínas, para la cría de peces o

de animales domésticos en general.

En la parte superior está cerrado por una campana metálica o de otro material como

madera, plástico o fibra de vidrio, que acumula los gases producidos por la fermentación y

que se encuentra flotando sobre la bio masa en descomposición, con lo que se logra la

estanqueidad y la hermeticidad necesarias. El peso de la campana hace las veces de

compresor, pues comprime el gas dentro de ella y la mantiene flotando hasta que fluya, por

la tubería de conducción, al lugar de consumo.

Una de estas plantas tipo Hindú, trabaja normalmente con una presión constante de

operación en el gas, del orden de 10 a 12 centímetros de columna de agua (CA), equivalente a

1/4 o 1/5 de libra por pulgada cuadrada.

Este digestor es el prototipo de la sencillez en su concepción y su operación, pues

fue ideado para ser manejado por campesinos de muy escasa preparación.



Sistema Chino o SZCHAWN

Dado el éxito del sistema Hindú y su amplia difusión en los años 50 y 60, el gobierno

Chino hizo un esfuerzo grande de divulgación y adaptación de ésta tecnología a sus propias

necesidades.

El gran problema de La China en ese momento no era energético, sino sanitario y

alimenticio; para resolver estos dos graves problemas se desarrollo específicamente el

Digestor Tipo Chino.

Tradicionalmente la China ha utilizado las excretas humanas como fuente

insustituible de abono orgánico para toda clase de cultivos. Aunque esta práctica se ha

utilizado durante milenios, los problemas de contaminación ambiental y sanitarios del sector

rural, no se habían resuelto. Con la utilización del Biodigestor se eliminan los malos olores,

se recupera el abono orgánico de uso inmediato para los cultivos y además, se genera Gas

combustible para las cocinas y el alumbrado en las viviendas campesinas.

Por motivos diferentes de los hindúes, los chinos desarrollaron, por economía de

construcción, el digestor unifamiliar que opera básicamente con presión variable. Es un

tanque construido totalmente en mampostería, sin campana movible y totalmente enterrado.

Igual que el modelo hindú, recibe la carga fresca por un conducto que la lleva a la parte baja

y entrega el efluente, por rebose, a un depósito externo en la parte superior. La diferencia

principal entre los dos está en la utilización de la campana; en el sistema Chino el Gas queda

atrapado con aumentos considerables de presión, pero a medida que se va gastando, ésta

disminuye.

Un digestor de este tipo puede llegar a trabajar con un metro de columna de agua de

presión o más, equivalente a 2 libras por pulgada cuadrada en algunos casos. Esto aumentos

de presión plantean diversos problemas de carácter estructural, en especial si la construcción

es de cierto tamaño.

El mayor problema de este diseño es la permeabilidad del gas Metano a través de las

paredes de mampostería del digestor, debido a su mayor presión de operación. Es por esta

variación permanente de presión, a veces aumentando y otras disminuyendo, que el digestor

tipo Chino tiene grandes limitaciones prácticas para el uso racional del Gas combustible

producido; por ejemplo, es imposible hacer funcionar una nevera, un motor de explosión

interna o una lámpara para el alumbrado.

Sin embargo hay que recordar que su objetivo no fue el Gas, sino el abono orgánico

procesado y recuperado, gracias al cual la China logró superar la crisis alimenticia y viene

aumentando desde hace unos 10 años su producción agrícola, a un ritmo sostenido del 10 %

anual.



Además de la división anterior, de acuerdo con el método de carga utilizado se

distinguen dos tipos genéricos de biodigestores:

Biodigestores de flujo discontinuo: Se cargan una vez y quedan cerrados por un

tiempo fijo de retención hasta que haya terminado el proceso de fermentación y no haya

producción de gas. En esas plantas al comienzo hay mucha masa orgánica y pocas

bacterias y al final tienen muchas bacterias y poca masa orgánica. La operación implica

básicamente cargar un biodigestor que permanecerá cerrado con sustrato, un inoculante y

en algunos casos, una base para mantener el pH casi neutral. El digestor es sellado, y la

fermentación se realiza entre 30 y 180 días, dependiendo de la temperatura ambiente.

Durante este período, la producción de gas aumenta paulatinamente hasta un máximo y

luego declina. Esta fermentación se puede realizar con un contenido de sólidos orgánicos

de 6 a 10%.

Digestores de flujo continuo4: Los digestores de flujo continuo son cargados y

descargados en forma periódica, por lo general todos los días. Cualquier tipo de

construcción es apropiada para una planta continua, pero el material de fermentación debe

ser fluido y uniforme. Existen muchos diseños y formas según su estructura, entre los

cuales pueden citarse, como los de mayor uso, tres tipos: de estructura sólida fija, de

estructura sólida móvil y de balón de plástico.

Existen muchos diseños y formas según su estructura, entre los cuales pueden

citarse, como los de mayor uso, tres tipos: de estructura sólida fija, de estructura sólida

móvil y de balón de plástico.

De estructura sólida fija. Constan de una cámara de gas construida de ladrillos,

piedra o concreto la cual permanece inmóvil y fija. Tanto el tope como la base del reactor

son semiesfericos y están unidos por lados rectos. La estructura interna es sellada por varias

capas para aislar el gas. El digestor es alimentado por un tubo de carga que es recto y

finaliza en la mitad de nivel dentro del digestor. En la parte superior del digestor se deja un

tapón manual para facilitar su limpieza y el conducto de salida del gas en la cubierta. El

gas producido durante el proceso es almacenado bajo el domo y desplaza algunos de los

contenidos del digestor a la cámara del efluente, lo cual produce fuerzas estructurales altas,

razón por la que el reactor tiene formas semiesféricas en el tope y en la base. Se

recomienda que la construcción sea bajo tierra en suelos estables y firmes. Es el tipo de

digestor más común en países en vía de desarrollo.

4 Adaptado de: Marchaim, Uri; Biogas Processes for sustainable development; FAO; 1992



Figura 3. Digestor de estructura sólida fija, tanque cilíndrico.


Digestor de estructura sólida móvil: Este digestor es en forma de bóveda esférica

(o cilíndrica) y tiene un depósito de gas móvil en forma de campana flotante. La campana

puede flotar directamente en la carga de fermentación o en un anillo de agua cilíndrico. El

gas se acumula en la campana, haciéndola subir y luego vuelve a bajar cuando se extrae el

gas a través de un tubo instalado en la campana misma. Para evitar que la campana se

ladee, se construye un soporte de hierro como guía. La campana además de subir y bajar,

es libre de girar, así puede mover la capa que eventualmente pueda flotar en la superficie de

la carga de fermentación. Para su construcción se usan comúnmente ladrillos, cemento,

arena y grava; para la campana flotante, lámina de acero.

Figura 4. Digestor de estructura sólida móvil.


De balón de plástico o tipo bolsa: Este modelo, que trata de aplicar las mejores

características técnicas de los modelos Hindú y Chino fue desarrollado en la isla de Taiwan,

pero el Gobierno de la antigua Alemania Federal, a través de la GTZ, agencia de



cooperación técnica, fue quien lo promovió, dentro de campañas de cooperación técnica en

los países Africanos. Está compuesto de una bolsa de plástico, caucho, polietileno o

geomembrana de PVC, completamente sellada y en forma de salchicha que se acomoda

sobre el piso a lo largo de una zanja en el terreno para que esté parcialmente sujeto por la

tierra en los bordes. La carga fresca entra por un extremo y la descarga se hace por el

opuesto. La parte inferior de la bolsa (75% de volumen) se rellena con la carga de biomasa

en fermentación, en la parte superior de la bolsa (25%) se almacena el gas mientras ésta se

va inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder la

presión de trabajo de la misma. Los tubos de entrada y salida están sujetos directamente a la

pared de la bolsa. Aunque este digestor actúa como un reactor de tapón de flujo, el gas

puede almacenarse en una bolsa separada. El material plástico o de caucho para la planta,

tiene que ser elegido con cuidado: Resistente a la intemperie y a los rayos ultravioleta. Se

puede recomendar para todos aquellos sitios donde no haya peligro de que se dañe la pared

de la bolsa y donde predominen temperaturas altas y constantes. Este tipo de digestor es

muy económico y fácil de transportar por su bajo peso, en especial en aquellos sitios de

difícil acceso. Al ser hermético se reducen las pérdidas, pero por su fragilidad requiere

disciplina social de las personas que lo manejan o que están a su alrededor, para evitar que lo

dañen con algún objeto corto punzante; también es un incoveniente su corta vida, pues al

estar a la intemperie, los rigores del clima lo deterioran en pocos años.

Su operación es muy eficiente al ser del tipo Tapón (Plug Reactor) y puede ser

construido en mampostería con el consiguiente aumento de precio. Según estos principios se

desarrolló el modelo Xochilco - México, pero presenta los mismos problemas de

hermetización del modelo chino al aumentar la presión en las horas de no utilización del Gas

Figura 5. Digestor de balón de plástico


Existen otros tipos de digestores desarrollados recientemente y en proceso de

investigación entre los cuales pueden nombrarse los de Filtro Anaeróbico, Reactor de

deflector anaeróbico, Procesos de contacto Anaeróbico, Digestores tubulares inclinados,

etc., entre los cuales vale la pena mencionar:

De tapón de flujo: A pesar de ser similar al digestor de balón de plástico, es

construido con diferentes materiales y clasificado separadamente. Consiste de una zanja



construida con concreto o con una membrana impermeable. El digestor se cubre con una

cubierta flexible anclada al suelo, al concreto o al acero galvanizado. Estos tanques

especiales son rectangulares y tratan residuos que contengan de 11% a 13% total de sólidos.

De mezcla completa: Son tanques especiales, construidos sobre o bajo tierra, que

tratan residuos orgánicos cuya concentración de sólidos está en un rango de 3 a 10%.

De alta velocidad o flujo inducido: Estos son utilizados comúnmente en

instalaciones industriales o semi industriales. Generalmente trabajan a presión constante, por

lo que se podrían catalogar como Digestores Tipo Hindú Modificado. Conocidos como

CSTD (Conventional Stirred Digestor), se diferencian de los digestores convencionales en

que se les ha agregado algún tipo de agitación mecánica, continua o intermitente, que permite

al material aún no digerido, entrar en contacto con las bacterias activas y así obtener buena

digestión de la materia orgánica, con tiempos de retención hidráulica relativamente cortos, de

hasta 15 días.

Además de la ventaja que significa el menor tiempo de operación, existen otras como

el evitar la formación de una costra de material dentro del digestor; lograr la dispersión de

materiales inhibitorios de la acción metabólica de las bacterias, impidiendo concentraciones

localizadas de material potencialmente tóxico para el sistema; ayudar a la desintegración de

partículas grandes en otras más pequeñas, que aumentan el área de contacto y por lo tanto la

velocidad de digestión; mantener una temperatura más uniforme de la bio masa dentro del

digestor para una reacción y degradación más uniformes; inhibir el asentamiento de partículas

bio degradables de mayor tamaño; permitir una más rápida separación y el ascenso del gas a

medida que se va formando dentro del digestor; mejorar las condiciones de control y

estabilidad de la bio masa dentro del digestor.

Digestores de Segunda y Tercera Generación: Constituyen un concepto nuevo

dentro de la tecnología de fermentación anaeróbica al combinar las ventajas de varios tipos de

digestores en una sola unidad, facilitando el manejo y procesamiento de material

biodegradable de diverso origen y calidad.

Generalmente los desechos de origen animal, excrementos de cualquier clase, son

procesados en digestores convencionales de tipo continuo, que periódicamente reciben carga

y entregan por desalojo efluente ya digerido. El tiempo de operación continua de estos

equipos es bastante largo y requiere un mínimo de atención al momento de cargarlos, como

es el evitar introducir elementos extraños tales como arena, piedra, metal, plásticos o

cualquier otro tipo de material lento o imposible de digerir. Luego de unos cuatro o cinco

años se debe detener su funcionamiento para hacer una limpieza general y retirar sedimentos

indigeridos.

Cuando en un digestor convencional de tipo continuo se introducen

indiscriminadamente materiales orgánicos de origen vegetal como pasto u hojas de árbol,

sobrantes de cosechas o basuras bio degradables, que tienden a flotar en el agua por su alto



contenido celulósico, terminan por atascarlo y parar su operación efectiva en poco tiempo,

incluso días, dependiendo de la cantidad de material suministrado.

Para evitar taponamientos, la materia de origen vegetal se procesa en digestores

convencionales en tandas o carga única (Batch Digestors) en ciclos de 60 a 80 días, lo que

supone que para el suministro de gas y efluente durante un año, se debe disponer mínimo de

cuatro unidades con una producción alternada. Estas soluciones representan un alto costo y

un gran esfuerzo.

Buscando un tipo de digestor ideal y sin los inconvenientes citados, se llegó al

concepto de digestor de Segunda y Tercera generación, siendo los clásicos modelos Hindú o

Chino, los de la primera.

Este nuevo modelo de digestor retiene la materia de origen vegetal, que normalmente

tiende a flotar, dentro de las zonas de máxima actividad bacteriana como son la inferior y la

de sobrenadante intermedia, para que las bacterias tengan tiempo de atacar, hidrolizar y

procesar efectivamente el material en descomposición; al mismo tiempo permite que los

gases y el material parcialmente degradado sigan el recorrido del proceso normal dentro del

digestor.

El Digestor de Segunda Generación divide al convencional en dos cámaras, una de

ellas a un nivel inferior del resto del digestor. Utiliza compartimentos en ferrocemento o

mampostería, espaciados adecuadamente para retener los materiales y las partículas sólidas

grandes, pero permite el paso del gas y los líquidos. A este modelo se puede adicionar hasta

un 25% de carga de origen vegetal sin que se atasque o paralice la operación.

El Digestor de Tercera Generación modifica radicalmente al de tipo Hindú

tradicional, aunque sigue los lineamientos de esta escuela. Ha logrado una eficiencia de

trabajo en forma continua que permite cargarlo con toda clase de materiales, hasta un 50 o

60% de materia de origen vegetal mezclada con excrementos, empleando una sola unidad que

trabaja en forma de digestor continuo.



Opera básicamente en dos niveles. En la parte baja del mismo se construye un túnel o

laberinto, que sirve para retener temporalmente todos los materiales que tienden a flotar; con

las divisiones internas se divide el laberinto en una serie de cámaras independientes pero

comunicadas entre sí de forma continua. Por medio de planos inclinados y ranuras delgadas

en las placas de ferrocemento que conforman el techo del laberinto, se permite el paso del gas

y del material ya hidrolizado y degradado.

Los materiales lentamente digeribles, que completan su ciclo de degradación

anaeróbica en más de 100 días, pueden hacerlo al tiempo con excrementos que requieren

mucho menos tiempo, entre 15 y 20 días.

El digestor de tercera generación es la mezcla de varios digestores en una unidad. El

laberinto es típico del sistema de Tapón o Bolsa, con longitudes efectivas de 20 a 30 metros,

es el sistema más sencillo y práctico de todos los digestores de tipo convencional; las

diferentes cámaras independientes (6 o más según el diseño) brindan las ventajas de los

digestores de carga única; al final del recorrido y en la parte superior, se encuentra la última

recamara, grande, que equivale al digestor tipo indú, con su campana flotante, carga por la

parte inferior y salida del efluente por rebose en la superior.

Este tipo de digestor en especial, ofrece una doble ventaja económica, ya que por un

lado se construye una sola unidad del tamaño adecuado a las necesidades en lugar de varias

independientes más pequeñas; y por otro lado se elimina el costo de mano de obra necesaria

para estar cargando y descargando periódicamente las unidades de carga única.

Aparte de los digestores de flujo discontinuo, todos los diseños presentados se

conocen como sistemas de crecimiento suspendido y cuando no hay reciclaje de sólidos, el



tiempo de retención es igual al tiempo de retención de los sólidos biológicos. La Tabla 3

resume las características de los digestores más utilizados, y la cual puede ser servir de guía

para la selección del digestor más adecuado para cada caso particular de acuerdo con los

residuos disponibles y el monto de la inversión requerida.

Tabla No.3 Características de los tipos de digestores

CARACTERISTICAS DE ESTRUCTURA

SÓLIDA FIJA

DE ESTRUCTURA

SÓLIDA MÓVIL

DE BALÓN DE

PLÁSTICO

Cámara de digestión Esférica / bajo tierra Esférica / semiesférica Semiesférica

Nivel de tecnología Madura Madura Madura

Presión de gas No constante Constante Muy baja presión de gas,

requiere sobrepeso para aumentarla

Localización óptima Todos los climas Todos los climas Todos los climas

Vida útil 20 años 20 años 5 años

Ventajas Bajos costos de

construcción.

No posee partes móviles.

No posee partes

metálicas que puedan

oxidarse.

No tiene partes

expuestas, por eso está

protegido contra las bajas temperaturas.

Fácil manejo.

El gas almacenado es

medible a través del

nivel de la campana.

Bajos costos de

construcción.

Fácil transporte e

instalación.

Construcción horizontal

y plana que favorece en

los lugares con alto nivel

freático.

Desventajas La presión puede ser

muy alta, por eso la

cúpula tiene que ser

cuidadosamente sellada;

porosidades y grietas

pueden afectar la planta.

Alto costo de

construcción de la

campana.

En la mayoría de los

casos, la campana es

metálica y por tanto

sujeta a corrosión.

Más costos de

mantenimiento causado

por trabajos de pintura.

El material plástico está

sujeto a daños y tiene

que ser protegido.

4.5 PRODUCCIÓN Y CONDUCCIÓN DE BIOGÁS5

El sistema de conducción de gas remueve el biogás desde el digestor y lo transporta

hacia su uso final. Este sistema puede incluir: tubería, bomba de gas o turbina, medidor de

gas, regulador de presión y evacuadores del condensado, en caso de ser requeridos. En la

5 Instituto de investigaciones tecnológicas; PLANTAS DE BIOGÁS: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y

OPERACIÓN; Bogotá; 1990



Figura 6 se presenta una línea de conducción para una instalación típica, sus dimensiones

dependen de lo siguiente:

Del flujo de gas que se desea transportar

De la distancia existente entre la planta y el lugar de uso.

Estas dos variables se utilizan para fijar el diámetro de tubería adecuada a los deseos

del consumidor y a las características del diseño. Las plantas de Biogás utilizan casi

siempre manguera o tubería de polietileno, PVC6, debido a que estos materiales no son

afectados por la acción del ácido sulfhídrico. La línea de conducción de gas irá

preferiblemente enterrada o recubierta para evitar el deterioro (cristalización) por la luz

solar. De lo contrario, se colocará elevada para evitar daños físicos causados por personas

o animales.

Una línea de biogás debe ir provista de los siguientes accesorios, cuya localización e

instalación se pueden ver en la Figura 6, Figura 7 y Figura 8, estas figuras dan una idea

aproximada de los accesorios requeridos para realizar estas operaciones y de su colocación

en la línea.

Válvulas: Se utilizan mínimo dos válvulas para gas (Figura 7). La primera o

principal irá instalada inmediatamente después del almacenamiento del biogás, al comienzo

de la conducción y sobre el niple de salida. La segunda se monta al final de la línea, en el

lugar de uso. Estas válvulas, cuyo tamaño debe ser compatible con el diámetro de la

tubería, deberán estar construidas en acero inoxidable, polietileno o PVC7 para evitar la

corrosión por el ácido sulfhídrico.

Trampas de ácido sulfhídrico: Están constituidas por un recipiente relleno con

material de hierro finamente dividido formando un lecho poroso a través del cual debe

circular el gas, para que el H2S reaccione con el metal y se deposite en el lecho. La

condición de porosidad se alcanza utilizando como relleno virutas de hierro o esponjillas

metálicas de cocina. Estos materiales tienen la ventaja de ser de bajo costo y de oponer

poca resistencia al flujo de gas, aspecto importante en razón de las bajas presiones que se

manejan en este tipo de sistemas. La forma del recipiente y las características del material

utilizado para su construcción dependen del gusto del propietario de la planta. El único

requisito es el de que sean completamente herméticos para evitar fugas de gas.

Trampas de llama: La trampa de ácido sulfhídrico actúa también como trampa de

llama no solo por la presencia del relleno sino por el mayor diámetro del recipiente con

relación a la línea de conducción.

Trampas de agua: El agua arrastrada por el gas se separa cuando la corriente

encuentra en su trayectoria una expansión brusca y una contracción posterior. Para lograr

6 La norma NTC 1746 especifica los materiales aceptados para el transporte de gas. 7 IDEM.



este propósito será suficiente instalar sobre la línea un accesorio idéntico a las trampas de

sulfhídrico, con la diferencia de que no se necesitará el relleno de material de hierro. Las

trampas están provistas de un grifo de purga por donde se debe evacuar periódicamente el

agua depositada en el fondo. Es posible encontrar varios tipos de trampas y materiales de

construcción, entre ellas:

Rectangulares construidas en hierro o en acero, pintadas con el

mismo material empleado en el terminado y protección de la

campana.

Cilíndricas, en acero. Estas se construyen a partir de secciones de

tubería estándar de 2” o más. Al igual que las anteriores, requieren

de pintura interior y exterior para protegerlas de la corrosión.

Cilíndricas en PVC, polietileno o caucho. Se construyen también a

partir de tuberías estándar o se arman utilizando los accesorios

disponibles en el mercado. No requieren pintura protectora pero

deben en lo posible no exponerse a los rayos del sol.

Figura No.6 Esquema típico de una línea de conducción de gas


Figura No.7 Válvulas para gas



Figura No.8 Accesorios para la purificación de gas.


4.6 UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS8

El propósito de esta sección es determinar cómo se utilizará el biogás en la finca o

en el entorno urbano donde se implemente este sistema. Se presentan algunos factores

importantes a ser considerados para determinar una opción de utilización de biogás y se

describen las opciones potenciales de uso del gas. Existen algunos factores importantes que

se consideran cuando se selecciona una opción de utilización del biogás:

Clase de energía utilizada: Cuando se utiliza electricidad, gas natural, propano o

diesel como energía, el biogás puede utilizarse para reemplazar la compra de energía, para

producir electricidad, calor o refrigeración. Para muchas fincas, el mayor beneficio de la

opción de uso del biogás será como combustible en motores de generación eléctrica para

8 Adaptado de: A Manual For Developing Biogas Systems at Commercial Farms in the United

States, AgStar Handbook, First edition, EPA, US, Julio 1997.



uso en la propia finca o para vender fuera de ella. Otras opciones incluyen utilizar biogás

como combustible para hornos de aire forzado, calentadores y refrigeradores de adsorción.

Cuánta energía se utiliza y cuando: Los requerimientos energéticos del lugar

variarán diaria y temporalmente. Por ejemplo el aire y calor acondicionados son usos

temporales; la iluminación se utiliza en la noche; el ordeño dos veces al día por 4 horas; la

ventilación de porquerizas varía con el tiempo y la temporada. Muchas operaciones en las

fincas tienen el potencial de producir bastante o todas sus necesidades energéticas si se

recolectan y se convierten todos los residuos orgánicos en biogás.

La producción potencial de energía respecto a las necesidades energéticas:

Cuando se adapta la disponibilidad de biogás con los requerimientos energéticos, se debe

tener en cuenta que el biogás es producido todo el año y que el biogás almacenado por más

de 12 horas es costoso. Por lo tanto, el uso del biogás más rentable es aquel que utiliza el

biogás todo el año. Los usos directos del gas, como calefacción y refrigeración varían

temporalmente. Además, estas opciones pueden usar solamente una fracción de la energía

potencial del gas. Diseñar un sistema para este uso limitado no será rentable, a menos que

el sistema sea diseñado para control de olores. Las fincas de gran tamaño estarán en mayor

capacidad de compensar la producción de energía del biogás con su utilización que las

fincas pequeñas.

La electricidad como energía primaria requerida: Las bombas eléctricas,

ventiladores, motores, compresores al igual que iluminación están en uso generalmente

todo el año. La producción de electricidad para utilización en la finca es la opción más

viable.

Mantenimiento de los motores de generación: El fácil acceso para las labores de

mantenimiento y disponibilidad de partes y servicios son consideraciones críticas.

Tabla No. 4 Opciones de uso potencial del gas

Opción Aplicación

Generación eléctrica Apropiada para muchas instalaciones

Combustión Directa Cocinas, iluminación.

Calderas/Hornos Uso por temporadas o en situaciones especiales

Refrigeración Refrigeración en hatos (aproximadamente el 15

al 30% del uso de electricidad en hatos);

enfriamiento temporal y en situaciones especiales



4.6.1 Generación de Electricidad

Los hatos modernos y las porquerizas requieren una cantidad significativa de

electricidad para operar los equipos. Los criaderos de ganado porcino requieren una gran

cantidad de calor circulante, pero pocas disponen del calor del agua caliente. Casi todas

utilizan lámparas eléctricas para calentar y calentadores suplementarios de propano para

mantener la temperatura. De la misma manera, 30% del consumo eléctrico de un hato se

usa para refrigerar leche. La tecnología más utilizada para generar electricidad es un motor

de combustión interna con un generador. Recobrando el calor residual de estos motores se

obtiene calefacción y agua caliente para usos en la finca o para calentar el digestor, con lo

que se mejora el rendimiento de energía total del sistema.

4.6.2 Combustión Directa

El biogás recuperado puede ser usado directamente como combustible. Las fincas

utilizan solamente una cantidad limitada de estos combustibles comparados con la

electricidad.

Calentamiento: El calentamiento es usualmente una operación temporal. Las

calderas y hornos pueden ser operados con biogás para producir calor. Por lo tanto este

puede ser un uso eficiente del gas, que por lo general no es tan conveniente como la

electricidad. Sin embargo, en algunas situaciones esta puede ser la mejor opción.

Calderas: Las eficiencias en la conversión están típicamente entre 75 a 85%. Las

fincas requieren agua caliente todo el año, pero generalmente es mayor la cantidad de

biogás disponible que de agua caliente requerida. Las porquerizas para alimentar y para

criar en climas fríos son el único tipo de fincas donde los requerimientos de calor podrían

consumir más o todo el potencial de producción de biogás disponible. Una caldera de

fundición a gas natural se utiliza para muchas aplicaciones agropecuarias. El aire y el

combustible mezclados requerirán de ajustes y quemadores que deberán ser alargados para

un gas con bajo BTU. Estas calderas están disponibles en un amplio rango de tamaños,

desde 45,000 BTU/hora y más. El biogás no tratado puede quemarse en estas calderas.

Hornos: Se utilizan en porquerizas en lugar de calentadores de quema directa. El

biogás deberá ser tratado para remover el H2S para prevenir que este penetre en los

diferentes sitios. Este tipo de unidades de quema de biogás no son muy difundidos y no

son utilizados por múltiples razones.



Refrigeración: Los hatos utilizan cantidades considerables de energía para

refrigeración. Aproximadamente 15 a 30% de la carga de electricidad de un hato se utiliza

para enfriar la leche. Los refrigeradores a gas están disponibles comercialmente y se

utilizan para este propósito. Para algunas fincas, esta puede ser la opción más rentable para

la utilización de biogás. Los refrigeradores a gas producen agua fría para enfriar la leche y

para aire acondicionado. Los hatos refrigeran la leche todos los días del año. El agua

refrigerada o el glicol se utilizan en sistemas de pre refrigerado en lugar de agua de pozo.

Un hato requiere 0.014 toneladas de refrigerante por hora de ordeño por cabeza por día.

Esto es casi 15% de la producción potencial de biogás de la misma vaca (una ton de

refrigerante = 12,000 BTU/hora).

Los refrigeradores de doble efecto, producen agua caliente y fría simultáneamente,

están disponibles para aplicaciones de más de 30 ton y pueden ser acoplados al digestor.

4.6.3 Consumo

Es importante anotar que la mayoría de gasodomésticos y equipos que utilizan gas,

vienen diseñados de fabrica para trabajar con GLP y gas propano a alta presión, por lo que

es necesario modificar el dispositivo o fisto que regula el flujo de gas. Cuando se pasa de

GLP o gas propano a gas natural el orificio del fisto es ampliado, para el caso del gas

proveniente de biodigestores el orificio del fisto debe ser ampliado aún más, puesto que

este gas es el que menos tiene presión y por tanto para mantener un mismo flujo se requiere

un fisto con orificio de mayor diámetro. Esta operación la debe realizar un técnico con

experiencia en gasodosmésticos.

La utilización de gas y consumos para algunos gasodomésticos típicos se presentan

en la Tabla 5.



Tabla No.5 Utilización y consumo de biogás

Equipo Consumo de biogás en

m3/hora

Estufa de cocina 0.150 – 0.200

Fogón para cocinar alimentos de los 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

Nevera de absorción de amoníaco

Motor biogás – diesel por b.h.p 0.420

Producción de 1 kWh de corriente eléctrica con una mezcla

biogás diesel 0.700


4.7 UTILIZACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE EFLUENTE

El efluente que permanece luego que el gas se ha producido se bombea a un tanque

de almacenamiento, luego de lo cual puede ser distribuido directamente al suelo. Sin

embargo, este producto se considera parcialmente tratado en esta etapa, y para almacenarlo

se requieren instalaciones de almacenamiento, ya que los nutrientes presentes en el efluente

deben ser aplicados al suelo o a los sembrados en épocas determinadas. El tamaño de la

instalación y del período de almacenamiento debe ser adecuado para los requerimientos de

la finca.

Como alternativa el efluente puede separarse en fibra y líquido. La fibra se utiliza

para tratamiento de suelos o para compostaje. El líquido contiene un rango de nutrientes y

se utiliza como un fertilizante el cual se vende o se utiliza en la finca como parte del plan

de manejo de nutrientes para los sembrados que se tenga previsto. Estos subproductos de la

digestión anaerobia pueden, por lo tanto, ayudar a los agricultores a reducir sus

requerimientos de fertilizantes sintéticos y otros reacondicionadores de suelos que son

fabricados utilizando métodos menos sostenibles.

Además, los efluentes del biodigestor se utilizan para estimular el crecimiento de

algas en estanques piscícolas y por lo tanto proveen de alimento a los peces. De manera

alterna, debido a su alto contenido orgánico, el efluente debe ser utilizado como un

suplemento en la alimentación de animales. Estas aplicaciones deben ser evaluadas según

cada caso.

Los sólidos de la digestión del estiércol de los hatos se venden solos o mezclados

para compostaje, suelos y recuperación de suelos. Los mercados regionales para estos

productos, existen; se venden al por mayor o a consumidores directos.



Por ningún motivo el efluente puede ser descargado o vertido a cursos o cuerpos de

agua naturales o a sistemas de alcantarillado, ya que no cumple los requisitos de calidad o

remoción de materia orgánica que exige la Ley Colombiana9.

9 Decreto 1594 de 1984, Minsalud.



5 CONDICIONES DE DISEÑO Y SELECCIÓN

5.1 REQUERIMIENTOS

Se presentan algunas condiciones y requerimientos que deben tenerse en cuenta para

la selección preliminar y el buen diseño de sistemas de producción de biogás y abono

orgánico, a partir de residuos orgánicos tanto rurales como urbanos. Dentro de estos se

encentran los siguientes10:

Diseño: debe ser simple tanto para la construcción como para la operación y

mantenimiento.

Materiales: Se deben utilizar materiales que estén disponibles localmente. Se

debe emplear un tipo de material resistente a la corrosión, con propiedades de

aislamiento efectivas.

Duración: La construcción de una planta de biogás requiere cierto grado de

práctica. Una planta de corta vida podría ser económicamente rentable pero

puede no ser reconstruida una vez su vida útil termine. Sería necesario

construir plantas más durables, pero esto puede aumentar los costos en la

inversión inicial.

Se deben implementar dispositivos de seguridad.

Utilizar el mínimo de equipo mecánico y eléctrico.

Implementar control ambiental en la disposición y uso del efluente.

Un sistema ideal de producción de biogás debe ser de muy bajo costo en términos

de costos de producción por unidad de volumen de biogás.

Particularmente y dependiendo de la escala del sistema para el diseño se tendrá en

cuenta:

Recepción apropiada de residuos e instalaciones de carga

Digestor, tanque de carga, dispositivos de mezcla, almacenamiento de biogás,

tanque de descarga y calderas para proveer calor al digestor (si se requiere).

10 Adaptado de BritishBiogen, Anaerobic Digestion of farm and food processing residues, Good

Practice Guidelines, pag 30 -31



Equipo de transporte que puede incluir tubería, válvulas, tea, descarga de

calor.

Tubería para remover el agua condensada.

Equipos de combustión y/o de generación eléctrica

5.2 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Con el potencial de residuos producidos por animal y su peso vivo promedio, puede

estimarse la cantidad de desechos orgánicos producidos diariamente y los requerimientos

de adición de agua para mezcla y homogenización. Cuando no es posible obtener datos

exactos sobre ésta en Kg./día, puede estimarse utilizando la siguiente tabla.

Tabla 6 - Valores y características del estiércol de algunos animales11

Clase de animal

% por peso vivo % del material de digestión

Relación C/N

P -Producción de

biogas (m3

de

gas / 1 Kg. SO) PE -Estiércol PO –Orina % EST Sólidos % SO Sólidos

orgánicos

Vacunos 5 4 15-16 13 20 0.250

Cerdos 2 3 16 12 13 0.350

Caprinos, ovejas

3 1.5 30 20 30 0.200

Caballos 5 4 25 15 20 0.250

Avícolas, gallinas

4.5 4.5 25 17 5-8 0.400

Humanos 1 2 20 15 8 0.300


También, puede realizarse la digestión anaerobia con materiales vegetales frescos o

desechos agrícolas como paja, tamo, hojas, pasto, etc., varias veces, con lo que se produce

más biogás que utilizando solamente estiércol. Se aconseja utilizar residuos vegetales sólo

como material aditivo a los desechos.

11 Difusión de la tecnología del biogás en Colombia, GTZ, 1987



Tabla 7 - Valores y características de algunos desechos vegetales12

Material fresco %EST Sólidos totales

%SO

Sólidos

orgánicos

P - Producción de biogas (m

3de gas / 1 Kg. SO)

Paja de arroz 89 93 0.220

Paja de trigo 82 94 0.250

Paja de maíz 80 91 0.410

Hierba fresca 24 89 0.410

Jacinto de agua 7 75 0.325

Bagazo 65 78 0.160

Desechos de verdura 12 86 0.350

Desechos orgánicos de cocina 15 10 0.250 Fuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003

12 Difusión de la tecnología del biogás en Colombia, GTZ, 1987



6 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UN SISTEMA DE

BIOGÁS

El correcto desempeño de los sistemas de biogás depende de un adecuado manejo.

En términos generales las principales fallas se deben a la falta de soporte técnico para los

operarios, falta de tiempo de los encargados del manejo, escaso conocimiento o poco

interés para mantener el sistema operando. Un buen manejo del digestor implica una serie

de condiciones que se explican a continuación:

1. Soporte Técnico: Existen componentes claves del sistema con los cuales el

propietario/operador debe familiarizarse. El fabricante o distribuidor debe

enseñar al propietario la operación y el mantenimiento del sistema de biogás con

los estándares básicos en aspectos de ingeniería sobre la utilización del equipo,

con un conocimiento completo sobre los aspectos de seguridad industrial, para

que estén preparados para reconocer los problemas y como resolverlos. Es

importante resaltar en que casos se requerirá del soporte técnico competente del

fabricante o distribuidor.

2. Mantenimiento: Normalmente los biodigestores no requieren mantenimiento

frecuente debido a la ausencia de piezas mecánicas móviles, sin embargo el

encargado debe tener conocimientos generales de reparación de motores,

mantenimiento, revisión, reparación y control de problemas y averías en tuberías

y conocimientos de soldadura. Es importante que las partes que puedan requerir

servicio y reparación sean accesibles. Estos servicios los ofrecen muchas veces

los fabricantes o distribuidores de equipos, lo cual constituye un factor

importante a la hora de tomar una decisión sobre la adquisición de ciertos

equipos.

3. Tiempo: El mantenimiento y monitoreo diario del sistema toma entre 15 y 30

minutos y eventualmente también se requerirá tiempo para una reparación o para

mantenimiento preventivo.

4. Pertenencia: El propietario debe aceptar el sistema como de su propiedad y

querer operarlo, debe entender como funciona la tecnología y estar

comprometido con el éxito del sistema. Los sistemas donde el manejo se deja



como labor temporal de la actividad o se encarga a terceras personas, fallan por

falta de motivación e incentivos.

6.1 GARANTÍA DE CALIDAD

Un factor determinante en el diseño de un digestor es que cumpla con los

requerimientos del usuario para todo el proyecto. Para su correcto funcionamiento se debe

garantizar la calidad de la materia prima y el rendimiento del sistema por parte del

fabricantes.

Se consideran garantías de funcionamiento algunos de los factores siguientes:

6.1.1 Materia Prima

Los ganaderos, agricultores y usuarios en general, deben ser conscientes de las

enfermedades producidas por residuos orgánicos y del peligro de contraer alguna de éstas,

por lo que requieren un entrenamiento especial para evitar riesgos a la salud o evitar el

riesgo de llevar enfermedades a otros lugares. Los principales riesgos asociados a esta

actividad son:

Patógenos

Las materias primas inevitablemente contienen agentes patógenos de plantas o

animales (como Salmonela) y parásitos (como Cryptosporidium) en diferentes grados y en

diferentes materiales, los cuales pueden ser peligrosos para la salud humana y animal. Se

necesita por lo tanto tomar precauciones, especialmente si los residuos provienen de

diferentes sitios.

La pasteurización (calentar los residuos a 70ºC por 30 minutos o por más tiempo

con una temperatura más baja (ej. 55ºC durante cuatro horas) es el único método que

asegura la eliminación completa de agentes patógenos. Debe anotarse que la pasteurización

puede afectar el balance de energía: a mayor calentamiento y velocidad se utiliza más

energía.

El proceso de digestión anaerobia que se realiza en el digestor probablemente no

eliminará totalmente los agentes patógenos presentes en la materia prima, por lo que se

necesita bastante precaución. En algunos casos, dependiendo de la cantidad inicial de

patógenos presentes en la materia prima, los niveles de estos luego de la digestión

permanecerán lo suficientemente altos para causar enfermedades en aquellas personas que

trabajan con las materias primas antes y después del tratamiento, o que puedan tener algún



contacto con dichas materias primas. A los trabajadores debe indicárseles el nivel de riesgo

y las medidas que se tomarán para controlarlo. Esta es un área muy compleja que continúa

en investigación. Los peligros se reducen si se toman algunas precauciones, tales como:

Utilizar fuentes de materia prima conocidas y fiables

Control de calidad cuidadoso y análisis de materias primas

Monitoreo y control de enfermedades en los animales que producen los

residuos

Higiene personal

Parásitos

La digestión anaerobia que se realiza a 35ºC (conocida como digestión mesofílica,

utilizada por la mayoría de agricultores) reduce el número de posibles larvas y huevos de

algunos gusanos parásitos a niveles que no se detectan luego de una semana, sin embargo

generalmente existe poco control de Ascaris, Tenias y Cryptosporidium. Aunque, el

oosicyst (un tipo de huevo) de los gusanos el cual puede infectar cualquier animal si lo

ingiere, permanece luego de 50 días a 35ºC. La digestión a 55ºC reduce significativamente

la cantidad de oocysts, pero muchos permanecen, incluso luego del proceso de digestión,

por periodos extensos de tiempo. La digestión mesofílica no reducirá significativamente el

potencial de infección de residuos contaminados por parásitos.

Bacterias patógenas

Los experimentos con estiércol de cerdo han mostrado que la digestión mesofílica

durante cuatro días destruirá el 90% de una población de la bacteria Salmonella, sin

embargo los bajos niveles de la bacteria persisten incluso luego de 70 días de digestión.

Esta persistencia puede deberse a una mezcla pobre en el digestor, permitiendo que algunas

bacterias sobrevivan en la superficie. Manejada apropiadamente, la digestión anaerobia

puede reducir los niveles de bacterias con un factor más grande, pero pueden persistir

niveles bajos debido a una mezcla deficiente. La digestión anaerobia en el rango

mesofílico reducirá significativamente los niveles de bacterias patógenas, pero no las

eliminará completamente de los residuos y deberán determinarse las medidas requeridas

para controlar los daños potenciales en la salud humana.

Virus

Las investigaciones han mostrado que la digestión anaerobia mesofílica reduce la

cantidad de virus en muestras de agua residual, pero unidades de virus pueden encontrarse

presentes, incluso luego de extensos periodos de digestión.



6.1.2 Prácticas que disminuyen el contenido de sólidos

La adición de agua a los residuos puede ser deliberada (ej. Procesos de adición de

agua) o incidental (dilución por lluvia). Ya que el porcentaje de sólidos es el factor de

control para determinar cual digestor utilizar, conocer el grado de dilución de los sólidos

con agua es importante. El exceso de agua y el volumen de residuos incrementado puede

limitar la capacidad de manejo de residuos y de las instalaciones de almacenamiento. Toda

el agua que entra al sistema de manejo de residuos debe ser contabilizada para diseñar el

digestor.

Proceso de adición de agua fresca: En hatos, procesar el agua del sitio de ordeño

es una fuente de líquidos al alcance del sistema de manejo de residuos. Muchas

porquerizas gastan varios días a la semana lavando el sitio con fines sanitarios. El agua es

utilizada para refrescar a los cerdos y vacas y esto puede contribuir con el proceso. Los

cerdos gastan agua cuando la beben o juegan con los bebederos. Estas prácticas

contribuyen de 1 a 4 galones de agua fresca residual por galón de estiércol de cerdo añadido

al sistema de recolección.

Recolección con agua: El estiércol puede ser recolectado en porquerizas o hatos

utilizando sistemas de reciclaje lavando con agua. Las porquerizas pueden usar una

recolección en fosa de alimentación donde 4 a 12 pulgadas de agua fresca o reciclada se

mantiene bajo los pisos de la porqueriza y es reemplazada cada una o dos semanas. Las

fincas pequeñas pueden utilizar mangueras de lavado diario. Esta recolección diluye los

residuos frescos pero suministra diariamente sólidos volátiles frescos al sistema. Si todos

los residuos son recolectados diariamente, entonces no habrá pérdidas de sólidos volátiles

aptos para la digestión. La recarga en fosas provee algo de residuos viejos al sistema, con

pocas pérdidas de digestibilidad. Los residuos que son recolectados por remoción con agua

son diluidos a menos del 2% total de sólidos. Un manejo cuidadoso de sistemas de recarga

de fosas permiten la recolección de residuos con un contenido de sólidos mayor al 3%.

Dilución por lluvia: Los residuos dejados en lotes abiertos mientras llueve serán

diluidos, obteniendo residuos con bajo contenido de sólidos.

Ya que la cantidad de agua adicionada a los residuos varía en cada finca, la dilución

de sólidos con agua debe ser evaluada con base en el sitio específico.



6.1.3 Prácticas para incrementar concentración de sólidos

Adición de material seco: El contenido de sólidos en los residuos puede

incrementarse por adición de paja, arena o aserrín. Los materiales para cultivo

generalmente se secan y se utilizan para absorber residuos líquidos. Estas prácticas

constituyen un manejo de residuos sólidos con equipos como trituradoras de residuos. La

paja, hojas y en especial jacintos de agua sólo se pueden adicionar a determinados sistemas,

previo tratamiento especial y bien picada, para evitar la formación de capa flotante.

6.2 RECOMENDACIONES PARA EL SISTEMA

Para asegurar un rendimiento óptimo del digestor deben considerarse los siguientes

aspectos:

Nivel de amoniaco: Para un correcto funcionamiento, los niveles de amoniaco

dentro de los digestores deben mantenerse por debajo de los 2.000 mg/litro.

Mantenimiento del pH en el digestor:

Tabla 8 - Valores de pH para la Producción del Biogás

PH Producción

7–7.2 Óptimo

6.2 Retarda la acidificación

7.6 Retarda la amonización

De esta tabla se deduce que la carga de fermentación debe ser neutra, es decir, ni

alcalina ni ácida. Si la carga del digestor es demasiado alta, el valor del pH disminuye y es

necesario agregar correctores de pH como la cal para aumentarlo o el ácido para

disminuirlo.

En caso de cambiar el tipo de materia prima que se utiliza para la carga, se debe

redimensionar el biodigestor para adaptarlo a las nuevas condiciones.

No introducir en el digestor fertilizantes fosfatados. Las condiciones de ausencia de aire producen compuestos de fósforo altamente tóxicos.

No hacer llama en sitios cercanos. No usar el gas inmediatamente después de retirar el efluente del tanque de

almacenamiento del digestor. Al realizar esta operación de descarga puede producirse eventualmente un efecto de presión negativa que puede tener como consecuencia devolver la llama al digestor y provocar una explosión ó Introducir aire al digestor, lo cual sería nocivo para el proceso. Por ello se recomienda compensar el sistema alimentando al digestor una cantidad igual (carga diaria) al



volumen de efluente retirado del tanque. Efectuada esta operación se deja transcurrir un tiempo prudencial (no más de ½ hora) para que se restablezca la presión positiva antes de usar el gas.

Como una buena práctica, sin importar su tamaño, se debe tener en cuenta

qué se hará cuando el digestor alcance el final de su vida útil. Con respecto a la localización del biodigestor, se deben tener en cuenta las

siguientes recomendaciones:

No debe estar próximo a corrientes o nacimientos de agua. Evitar las zonas con tráfico continuo de personas o animales. Localización cerca del sitio donde se usa el efluente. La distancia mínima a lugares muy calientes o donde haya llama debe ser

de 30 metros. El digestor debe ser diseñado para funcionar como parte de las operaciones

de la instalación. 1.2.1 Limpieza En términos generales el digestor, sea de estructura sólida fija o de

estructura sólida móvil, debe limpiarse internamente cada dos años. Para realizar esta operación se utilizarán guantes y botas de caucho siguiendo el procedimiento descrito a continuación:

Suspender la carga diaria. A los 15 días aproximadamente, cerrar la válvula de gas y desconectar la

línea de conducción. Dejar escapar el gas abriendo la válvula. Desocupar el digestor utilizando un balde de plástico o una bomba, si la

hay. El contenido del digestor se usa como abono, diluido en una proporción de una parte de efluente en tres partes de agua.

Para efectuar una buena limpieza se Lavan las paredes, el fondo y el almacenamiento de gas con un cepillo de cerdas duras, no metálicas y agua, no se debe usar jabón ni ningún tipo de detergente pues cualquier residuo de estos inhibe la acción de las bacterias deteniendo el funcionamiento del aparato.

Al final se retiran con balde las aguas de lavado. Conviene inspeccionar el tanque para descubrir filtraciones. Si las hay,

proceder a su reparación. 1.2.2 Líneas de conducción Inspección periódica (preferiblemente todos los días en el momento de

efectuar la carga) de la línea de gas en las uniones, válvulas, acoples y demás accesorios para detectar fugas. Si éstas se presentan, deben repararse de inmediato, cambiar las piezas o sellar los escapes con pegante comercial para PVC o con resina epóxica.



Purgar periódicamente las trampas de agua y de ácido sulfhídrico, utilizando el grifo de drenaje de la respectiva caja.

Revisar semanalmente el relleno de trampa de ácido sulfhídrico. Si el relleno está “gastado”, remplazarlo por material nuevo para garantizar el correcto funcionamiento de la trampa.



Tabla 9 - Diámetro de tuberías de conducción de biogás13

FLUJO DE BIOGÁS (m

3/hora)

DISTANCIA AL LUGAR DE USO (metros)

25 50 100 150

0.45 ½” 1m a 25 m: ¾” ¾” ¾”

25 m a 50 m: ½”

0.68 ½” ¾” ¾” 1m a 100 m: 1”

100 m a 150 m: ¾”

0.90 ½” 1” ¾” 1m a 100 m: 1”

100 m a 150 m: ¾”

1.35 ½” ¾” 1m a 75 m: 1” 1”

75 m a 100 m: ¾”

1.81 ½” 1” 1m a 50 m: 1 ½” 1m a 100 m: 1 ½”

50 m - 100 m: 1” 100 m a 150 m: 1”

1.2.3 Limpieza del gas

El biogás producido usualmente necesita diferentes grados de limpieza, tan pronto

como sea posible, luego de su generación por dos razones principales:

El gas es corrosivo y puede dañar los motores.

Por razones de seguridad e higiene; es necesario realizar una evaluación de riesgo.

Alternativamente, la zonificación puede utilizarse para excluir al personal de las

áreas que puedan representar un riesgo. En general, no es aconsejable quemar el gas

producido en otra parte que no sea un motor para producir electricidad o en un quemador

para producir calor.

Existen diferentes formas de limpiar el gas. Lo mejor es escoger el equipo

apropiado, consultar a los fabricantes sobre los mejores métodos para requerimientos de

plantas específicos y asegurar que quien va a manejarlo este completamente entrenado para

operarlo eficientemente.

2 RIESGOS EN LA OPERACIÓN

Una buena práctica requiere una planeación y manejo cuidadosos para asegurar que

el beneficio de los productos de la digestión anaerobia, incluyendo la producción sostenible

de energía, sea acorde con el manejo sensitivo y efectivo del sistema. Como en todo

desarrollo industrial agrícola o pequeño, la operación del esquema tendrá algún riesgo de

impacto ambiental negativo. Todos estos aspectos requieren ser direccionados con el fin de

obtener los permisos respectivos y para que puedan ser realizados bajo las condiciones

planeadas.

13 Anil K Dhussa, Designing biogás distribution system Bioenergy, Renews 2, 1983



Algunos de estos impactos y sus actividades de mitigación, pueden ser mínimos en

instalaciones pequeñas. Sin embargo, incluso los sistemas a mayor escala pueden

compararse más fácilmente con otros desarrollos agrícolas que con instalaciones

industriales.

En general y especialmente en instalaciones de mayor escala, se deben atender los

siguientes aspectos:

Emisiones al aire: Existe el potencial de emisiones de metano (gas de efecto

invernadero) a la atmósfera por fugas del sistema. Es importante asegurar la combustión

eficiente ya que el monóxido de carbono (por riesgos a la salud humana), los óxidos de

nitrógeno (precursor de la lluvia ácida) y los componentes orgánicos volátiles

(contaminantes tóxicos del aire) son liberados a niveles inaceptables sí el biogás no se

quema completamente.

Emisiones al suelo y cursos de agua: Los cursos de agua podrían ser afectados por

descargas, resultado de un almacenamiento deficiente de la materia prima, de un

inapropiado almacenamiento del efluente o por su derrame. Se requerirán contenedores en

el sitio en caso de presentarse derrames accidentales o escapes que afecten los cuerpos de

agua, si esto sucediera debe notificarse de inmediato a la autoridad ambiental

correspondiente. Las medidas de prevención de la contaminación de suelos deben tomarse

en la etapa de planeación.

Trazas de amoniaco y de ácido sulfhídrico: Pueden surgir durante la producción del

gas, del almacenamiento de las materias primas y en los recipientes de mezcla o tanques

transportadores. La exposición a cualquiera de estos gases puede ocasionar enfermedades o

la muerte. Los niveles presentes en el biogás pueden variar amplia y cíclicamente, el

dióxido de carbono, el amoniaco y el ácido sulfhídrico son todos gases tóxicos y están

sujetos a regulaciones como sustancias peligrosas para la salud.

Personas que trabajan con sistemas de biogás: Deben conocer el riesgo de

exposición a estos gases y a otras sustancias peligrosas como los patógenos, con el fin de

tomar medidas para controlar este riesgo.

Identificar los riesgos: Durante el diseño del sistema o en la etapa de construcción,

se pueden presentar situaciones de riesgo durante la operación normal o durante el

mantenimiento y reparación. Su clara identificación hará que la operación subsecuente de

la planta sea más fácil.

Una buena práctica contempla el uso de medios para controlar riesgos. Los

controles pueden incluir remover los elementos tóxicos del gas, estabilizar totalmente los

sistemas cerrados, sistemas que minimicen o concentren las sustancias peligrosas, sistemas

de aireación local y general o como último recurso, equipos de seguridad personal. Los

controles utilizados no deben depender de la aireación (que puede crear riesgos en

cualquier sitio debido a la naturaleza de los gases emitidos).



3 CONDICIONES ESPECIALES

Con base en la información obtenida de los pasos anteriores se puede realizar una

evaluación inicial. Incluso si no se cumplen uno o más pasos, aún existe la posibilidad para

producir biogás bajo ciertas circunstancias.

La recuperación del biogás se justifica bajo ciertas condiciones especiales como

podrían ser:

Problemas severos de olores: En algunas fincas, los olores asociados con residuos

orgánicos atentan contra la calidad del aire, son un daño para los vecinos. En áreas donde

estos problemas son significativos, la instalación de un sistema de producción de biogás

será favorable, ya que este remueve los olores. Utilizar digestores con el fin principal de

controlar los olores es un beneficio si los costos de no controlar son substanciales.

Problemas ambientales: Los residuos orgánicos son una fuente de contaminación

agrícola la cual afecta canales, suelos y aguas subterráneas. Los sistemas de biogás ayudan

a reducir esta contaminación dando al propietario un punto de control y ganancia del

manejo de residuos.

Alto costo de la energía: Los altos costos de la energía favorecen este tipo de

proyectos. Lugares pequeños podrían mantener potencialmente proyectos de recuperación

de gas rentables.

Alto costo de fertilizantes comerciales.



REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Practice Guidelines.

EPA, A Manual For Developing Biogas Systems at Commercial Farms in the

United States, AgStar Handbook, First edition,US, July 1997

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Instituto de Investigaciones Tecnológicas; Plantas de biogás: diseño, construcción y

operación; Bogotá; 1990

Marchaim, Uri; Biogas Processes for sustainable development; FAO; 1992

Martinez, Arturo; Tecnología de la fermentación anaerobia; Bogotá, sin fecha.

UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA. FORMULACIÓN DE

UN PROGRAMA BÁSICO DE NORMALIZACIÓN PARA APLICACIONES DE

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