Quintaesencia 7 (2), 2014
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PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN UN PROTOTIPO DE BIODIGESTOR A
CONDICIONES AMBIENTALES DE HUANCAVELICA
BIOGAS PRODUCTION IN A BIODIGESTER PROTOTYPE TO
HUANCAVELICA ENVIRONMENTAL CONDITIONS
Jorge Luis Huere Peña 1, Eleuterio Martín Alcántara Espinoza 1, Franklin
Surichaqui Gutiérrez 2
1 Universidad Nacional de Huancavelica, Facultad de Ciencias de Ingeniería
2 Universidad Nacional de Huancavelica, Facultad de Ingeniería Minas – Civil
Recibido 15-03-24 / Aceptado 15-04-13
RESUMEN
Objetivo: Determinar parámetros
técnicos para diseñar un prototipo de
biodigestor en condiciones
ambientales de Huancavelica,
favorables para la producción óptima
y eficiente de gas metano (CH4).
Métodos: la metodología usada se
basa en el diseño y construcción de
un biodigestor anaerobio de
laboratorio (prototipo), así como su
puesta en marcha y aplicación
práctica por medio de la realización
de pruebas, en el que se analizó la
producción de biogás a diferentes
condiciones ambientales para
determinar la influencia de la
temperatura en la calidad y cantidad
del biogás producido, así como su
influencia en otros parámetros. Se ha
realizado un programa de cuatro
experimentos en los que se han
controlado parámetros como la
temperatura, el pH, la COD,
(Chemical Oxygen Demand).
Resultados: la temperatura
promedio del biodigestor fue de 33°C,
ello debido al calentamiento del
exterior mediante un invernadero,
una desviación típica de 1,41, y las
oscilaciones de temperatura durante
ese periodo fueron de 31°C a 37°C.
Un pH interno promedio del
biodigestor de 6,89, con una
desviación típica de 0,23 y las
variaciones del pH tuvieron el rango
de 6,5 a 7,3; el contenido de metano
(CH4) obtenido fue de 56%mol y el
contenido de CO2 fue de 34 %mol,
logrando un biogás aceptable.
Conclusiones: una limitación en la
presente investigación fue del tipo
climático, siendo una buena
alternativa la implementación de
invernaderos, lográndose alcanzar
temperaturas mesofílicas, con una
producción diaria de biogás
aproximada de 0,2 m3 biogás/m3
digestor/día. El porcentaje de mezcla
más eficiente en condiciones
mesofílicas, fue el correspondiente a
la mezcla que contiene 25% v/v de
estiércol vacuno y 75% v/v de agua e
incorporación de agitación mecánica,
obteniéndose 62% y 75,7% de
eliminación de COD y con un tiempo
de arranque de 22 días
aproximadamente.
Palabras clave: Biodigestor, biogás,
metanización, mesofílico.
ABSTRACT
Objective: To determine technical
parameters to design a biodigester
prototype in Huancavelica´s
environmental conditions favorable
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for optimal and efficient production of
methane gas (CH4). Methods: The
methodology used is based on the
design and construction of an
anaerobic biodigester laboratory
(prototype), as well as its
implementation and practical
application through testing, in which
biogas production to different
environmental conditions was
analyzed to determine the influence
of temperature on the quality and
quantity of produced biogas besides
their influence on other parameters. It
has been made a program of four
experiments where there have been
controlled parameters such as
temperature, pH, and COD (Chemical
Oxygen Demand). Results: The
biodigester average temperature was
33°C due to heating from outside
through a greenhouse, a standard
deviation of 1,41, and temperature
fluctuations during that period were
from 31°C to 37°C. An average inside
pH of the biodigester of 6,89, with a
standard deviation of 0,23, and the
pH variations ranged from 6,5 to 7,3;
the methane content (CH4) obtained
was 56 mol% and CO2 content was
34% mol achieving an acceptable
biogas. Conclusions: A limitation in
this study was the climatic type, being
a good alternative the implementation
of greenhouses achieving mesophilic
temperatures, with a daily production
of biogas approximately of 0, 2 m3
biogas/m3 digester/day. The more
efficient mixture percentage in
mesophilic conditions was the
corresponding to mixture containing
25% v/v of bovine manure and 75%
v/v of water and mechanical agitation
incorporation, obtaining 62% and
75,7% of COD removal and with a
start time of 22 days approximately.
KeyWords: Biodigester, biogas,
methanization, mesophilic.
INTRODUCCIÓN
La utilización de materia orgánica
biodegradable, dentro de la cual se
encuentran: excretas de cerdo,
vacas, gallinas, residuos vegetales,
aguas servidas, se va incrementando
significativamente orientados a la
producción de energía. Hoy en día
es cada vez más creciente la
contaminación de suelos, mantos
acuíferos, ríos, por vertidos de las
mismas, así como la contaminación
del aire causado por las emisiones de
los gases producto de la
descomposición de esta materia
orgánica, la proliferación de
enfermedades, etc. Estos gases
emitidos deberían ser aprovechados
para obtener una serie de beneficios,
tales como la generación de un
combustible rico en metano, el cual
posee características óptimas para
su utilización como un elemento
importante en la producción de
energía, bajo costo de producción e
implementación, bajos costos de
operación y una baja inversión inicial.
A nivel mundial la utilización de las
tecnologías renovables, en los
últimos años, ha ido aumentando
considerablemente, debido a que las
energías renovables son amigables
con el medio ambiente, su existencia
no se agota con su utilización ya que
vuelven a su estado original y/o se
regeneran; por su parte los
combustibles fósiles presentan
desventajas como: encarecimiento
con el tiempo, agotamiento del
recurso por ser no renovable, así
como también, la contaminación que
estos causan al medio ambiente y al
ecosistema en general.
Jorge Luis Huere Peña, Eleuterio Martín Alcántara Espinoza, Franklin Surichaqui Gutiérrez
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La exploración y utilización del biogás
en el mundo abarca un periodo de
más de 6 décadas, las primeras
plantas se construyeron en China, en
la década de 1940 y en la India en la
década de 1950 (1). En América
existe trabajos de investigación sobre
la producción de biogás, como por
ejemplo en México en 1979 (2). En El
Salvador, desde más de 25 años, ya
existe conocimiento respecto al tema
de biogás; asimismo, Bolivia tiene
sus primeros avances en la década
de 1990, a cargo de la Universidad
Mayor de San Simón, contando con
el financiamiento de la Cooperación
Alemana GTZ (Tecnologías en
Desarrollo, 2005), y otros trabajos
que usan desechos orgánicos
(biomasa) como estiércol de
animales y desechos de vegetales
para la generación de biogás y dar
aplicaciones diversas en diferentes
rubros. (3).
En nuestro país, desde alrededor de
20 años ya existía previo
conocimiento del tema, ello se viene
dando a través de proyectos pilotos.
Hasta la fecha, se han implementado
alrededor de 20 biodigestores
familiares, en comunidades rurales
de la zona de Cusco y de Cajamarca,
teniendo la dificultad que muchas
veces no cuentan con la asesoría
técnica, ni el incentivo de
implementación por parte del
gobierno, instituciones privadas u
organizaciones afines al tema. Es por
ello que se planteó en este trabajo de
investigación a fin de determinar los
parámetros técnicos para la
producción de Biogás en un prototipo
de biodigestor a condiciones
ambientales de Huancavelica.
En tal sentido, el problema general
de investigación formulado fue:
¿cuáles son los parámetros técnicos
para la producción de biogás en un
prototipo de biodigestor y las mezclas
óptimas de biomasa a temperaturas
mesofílicas? La hipótesis
fundamental planteada fue: bajo las
condiciones ambientales de
Huancavelica, es posible determinar
los diferentes parámetros técnicos en
un prototipo de biodigestor y las
mezclas óptimas de biomasa a
temperaturas mesofílicas, para la
producción de biogás. Considerando
el problema y la hipótesis planteada
se propuso como objetivo general:
determinar los parámetros técnicos
en un prototipo de biodigestor y las
mezclas óptimas de biomasa a
temperaturas mesofílicas adaptados
a las condiciones ambientales de
Huancavelica, para la producción de
biogás. Como objetivos específicos:
(a) cuantificar el ingreso y salida de
materia prima (carga y descarga),
analizando la efectividad de
conversión de materia prima utilizada
de sólido a gas y líquido a gas. (b)
determinar el porcentaje de mezcla
óptimo estiércol - agua para la
codigestión en condiciones de
temperatura mesofílicas (35 ºC).
Se realizó, durante la investigación,
un programa de cuatro experimentos;
se han controlado parámetros como
la temperatura dentro de la zona, en
el caso de Huancavelica a
temperaturas en el rango mesofílico.
El pH óptimo para la biodigestión
anaeróbica estuvo dentro del rango
de 6,8 y 7,4, la DQO (Demanda
Química de Oxigeno) tuvieron como
valores promedio de 1755 mg/L en el
influente y 379 en el efluente, los
contenidos de fósforo, nitrógeno,
volumen de biogás producido,
logrando resultados satisfactorios en
concentraciones comprendidas entre
Producción de biogás en un prototipo de biodigestor a condiciones ambientales de Huancavelica
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3 a 10% de sólidos en la práctica.
Como resultados de los experimentos
del trabajo de investigación no se
logró determinar una mezcla que se
destacara con respecto a las demás
y con la eficiencia y rendimiento en la
producción de CH4; los volúmenes de
biogás producidos en estas
condiciones mesofílicas fueron
mucho más pequeños que los
producidos en el rango termofílico,
sin embargo la mezcla presentó
menor tiempo de arranque 12 vs 19
días y la incorporación de agitación
mecánica resultó más eficiente en
cuanto al rendimiento de generación
de metano en una mezcla de
estiércol vacuno y agua.
El prototipo propuesto y las
condiciones que se han determinado
en la presente investigación podrán
servir como guía para la construcción
de biodigestores similares, así como
manual para su uso correcto, con
recomendaciones y consejos
prácticos. Además, las conclusiones
obtenidas en los experimentos,
servirán para posteriores ensayos,
usos y aplicaciones del mismo,
teniendo en cuenta las dificultades de
la zona con respecto a la temperatura
que obliga a trabajar en las pruebas
en condiciones mesofílicas que
disminuyen la eficiencia de
producción de biogás, así como
también el tipo de biomasa con la
que se pueda trabajar, como son
excretas de animales propios del
lugar.
MATERIALES Y MÉTODOS
Los dispositivos utilizados para los
experimentos, básicamente,
estuvieron constituidos por aparatos
para la determinación y medición de
variables de estudio como son la
temperatura, presión, pH, DQO,
etcétera. La población objetivo
representa las zonas y regiones con
condiciones ambientales iguales o
similares a las de Huancavelica,
donde se puede producir biogás, con
presencia de material de biomasa
equivalentes. El estudio se realizó en
la región de Huancavelica,
específicamente dentro de los
ambientes de la Universidad Nacional
de Huancavelica; el cual contiene
características ambientales muy
particulares, ya que cuenta con un
clima bastante frío y con una
intensidad muy elevada de radiación
solar durante el día y una
temperatura cuyos cambios en las
diferentes estaciones tiene un alto
rango de variación; así como también
a lo largo de un día. El material de
entrada para la producción de biogás
fue utilizando la biomasa presente en
la zona, los cuales básicamente
estuvieron compuestas por excretas
de animales propios de la zona
(porcinos, vacunos y camélidos
sudamericanos). Posteriormente se
realizaron pruebas en un invernadero
construido como parte del proyecto,
con el fin de obtener básicamente
temperaturas más homogéneas y
más elevadas. La muestra o biomasa
utilizada en este trabajo, para la
producción de biogás, son residuos
producidos por animales de la zona
(excretas o estiércol), con una
cantidad de agua para mezcla y
homogenización. Los materiales de
fermentación están compuestos, en
su mayor parte, por Carbono (C) y
Nitrógeno (N). En la Tabla 1 se
compara la relación C/N
(Carbono/Nitrógeno) de varios
productos residuales:
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Tabla 1.- Relación Carbono/Nitrógeno en varios productos residuales.
Sustancia C/N
Orina 0,8
Estiércol equino 25
Estiércol vacuno 18
Alfalfa 16-20
Algas marinas 19
Aserrín 511
Basura 25
Peladura papas 25
Fuente: (4)
Para la recolección de datos se
realizaron experimentos en un
prototipo de biodigestor preparado,
teniendo en cuenta los modelos
existentes en el mundo y las
características ambientales de
Huancavelica, para el cual se diseñó
y construyó un prototipo de
biodigestor discontinuo (tipo Bach), al
que se le adicionó un agitador central
o hélice de los biodigestores de tipo
continuo para obtener una mezcla
homogénea de la biomasa interna y
el agua adicionada. Para lograr
control de los parámetros a estudiar
como temperatura y presión se
instalaron controles, un termómetro
digital y un barómetro analógico, tal
como se muestra en la Figura 1.
.
Figura 1.- Instrumentos instalados en el prototipo de biodigestor a fin de controlar los
parámetros de presión y temperatura
RESULTADOS
Durante un periodo de 106 días se
registró diariamente las variaciones
de temperatura. La temperatura
promedio del biodigestor fue de 33°C,
esto debido al calentamiento del
exterior mediante un invernadero;
además, la toma de datos se
registraron a medio día, teniendo los
datos una desviación típica de 1,41; y
las oscilaciones de temperatura
durante ese periodo fueron de 31°C a
37°C. Obteniéndose como resultado
Producción de biogás en un prototipo de biodigestor a condiciones ambientales de Huancavelica
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los datos que se ilustran en la Figura
2.
Figura 2.- Registro de temperatura del biodigestor
Durante el mismo periodo (106 días),
y de manera paralela, también se
registró los datos respecto a la
variación de pH al interior del
biodigestor, los cuales se presentan a
la Figura 3, teniendo durante ese
periodo un pH interno promedio del
biodigestor de 6,89, con una
desviación típica de 0,23, y las
variaciones del pH tuvieron el rango
de 6,5 a 7,3.
Figura 3.- Registro del pH del biodigestor
Durante el proceso de biodigestión se
realizaron tres muestreos para
determinar la composición del biogás
producto de la degradación micro
bacteriana, los muestreos se
realizaron a los 35, 70 y 105 días (fin
del proceso de biodigestión); la
temperatura promedio durante esta
última fase fue de 33.03 °C y el pH
promedio fue de 6,93, muy similares
a los valores promedios del proceso
total, el contenido de metano (CH4),
al finalizar esta segunda fase, se
incrementa a 56%mol, logrando un
biogás aceptable de acuerdo a los
estándares vistos en (5) y (6), valores
que no se lograron en el primer y
segundo muestreo, que mencionan
que el contenido de CH4 debería
estar comprendido entre 54% y 70%
y el contenido de CO2 entre 27 y 40,
Jorge Luis Huere Peña, Eleuterio Martín Alcántara Espinoza, Franklin Surichaqui Gutiérrez
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los resultados del tercer muestreo se
observan en la tabla 2.
Los valores promedios de la
Demanda Química de Oxigeno
(DQO) y la Demanda Biológica de
Oxigeno (DBO) en el influente y
efluente del biodigestor se muestran
en la Tabla 3.
Tabla 3.- Demanda Química de Oxigeno (DQO) y la Demanda Biológica de
Oxigeno (DBO) del Sistema.
DISCUSIÓN
Entre los factores ambientales
importantes para el funcionamiento
de los biodigestores, figuran la
temperatura, la concentración de
sólidos, la concentración de ácidos
volátiles, la formación de espuma, la
concentración de nutrientes
esenciales, las sustancias tóxicas y el
pH (7), siendo en nuestro proyecto de
importancia y prioridad de medición
la temperatura y el pH, dado que son
parámetros a tener en cuenta por la
altitud y clima de la zona de
influencia del proyecto.
En el caso del tratamiento anaerobio
de lodos, la temperatura del proceso
determina la rapidez y el grado de
avance de la digestión anaerobia (8).
Por ello es importante que la
temperatura se mantenga constante
ya que cada grupo bacteriano posee
un grado de temperatura óptimo de
crecimiento. Si la temperatura fluctúa,
no se podrá mantener ninguna
población metanógena en forma
estable, y una disminución en la
población de un determinado grupo
puede afectar al proceso de digestión
anaerobia, reduciendo el grado de
Tabla 2.- Resultados de la composición del biogás en el tercer muestreo
COMPONENTES FRACCIÓN MOL % MOL
CH4 0,56 56
CO2 0,34 34
NO2 0,1 10
O2 0,02 2
PRUEBA Valor promedio en Valor promedio en
(mg de O2/L) DQO (mg de O2/L) DBO
Influente 1755 838
Efluente 379 168
Producción de biogás en un prototipo de biodigestor a condiciones ambientales de Huancavelica
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estabilización del lodo y, con ello, la
formación de CH4 (9). La gama de
temperatura para la digestión
anaeróbica tiene dos zonas óptimas:
una mesófila (30 - 40°C) y otra
termófila (45 - 60°C).
Casi todos los digestores funcionan
dentro de los límites de temperaturas
mesófilas, y la digestión óptima se
obtiene a unos 35°C. La velocidad de
digestión a temperaturas superiores a
45°C es mayor que a temperaturas
más bajas; sin embargo, las bacterias
son sumamente sensibles a los
cambios ambientales especialmente
una disminución repentina de solo
unos pocos grados (7).
Para una digestión óptima, tienen
que estar presentes todos los
elementos esenciales en forma fácil
de asimilar por las bacterias. Se han
logrado resultados satisfactorios con
concentraciones mayores a 15% de
sólidos, sin embargo en la práctica la
gama es de 3 a 10% (7). Los
requerimientos nutritivos de DBO
(Demanda Biológica de Oxigeno):
nitrógeno: fósforo en la digestión
anaeróbica están en la relación 700:
5: 1. Solo los estiércoles están
nutricionalmente balanceados.
Además, para el crecimiento óptimo
de los metanógenos es necesario la
presencia de cuatro elementos en
concentraciones muy bajas: Fe 2nM,
Co 10 nM, Ni 100 nM y Mo 10 nM
(10).
En cuanto al pH se establece que el
funcionamiento óptimo de la
biodigestión anaerobia está alrededor
de la neutralidad, este se ubica entre
6,8 y 7,4. La digestión comienza a
inhibirse a pH 6,5 (11).
Está íntimamente relacionado a la
concentración de Ácidos Grasos
Volátiles (AGV) y su relación con la
alcalinidad del sistema. Esta
condición es imperante en cualquier
condición de temperatura, aunque se
puede recurrir a un sistema de dos
fases, en donde las dos primeras
etapas del proceso se establecen
como un sistema de condición
acidógena y las dos últimas, como la
condición metanógena. Se debe
destacar la importancia de las
bacterias sulfatorreductoras y
acetógenas, pues estas poblaciones
microbianas son quienes mantienen
los niveles ideales de pH mediante el
consumo óptimo de AGV, y también
mantienen un equilibrio perfecto entre
los productores y consumidores de
H2. Este equilibrio es conocido como
asociación sintrófica o transferencia
interespecie de H2 (9) (12).
El CO2 es soluble en agua y
reacciona con los iones hidroxilo para
formar bicarbonato. La concentración
de HCO3 es afectada por la
temperatura, el pH y la presencia de
otros materiales en la fase líquida.
Las condiciones que favorecen la
producción de bicarbonato
aumentarán, a su vez, el porcentaje
de metano en la fase gaseosa (7).
Cuando las condiciones climáticas lo
exigen, como es el caso de
Huancavelica, se debe calentar el
digestor para reducir el tiempo de
retención y a su vez el tamaño del
mismo. Pero este paso requiere
emplear parte del gas producido,
disminuyendo la cantidad
aprovechable para uso doméstico, y
añadiendo un costo de instalación y
operación (11).
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El desarrollo de biodigestores en la
zona andina presenta una barrera
tecnológica fundamental como son
las bajas temperaturas. Digestores
robustos ampliamente difundidos,
como el chino o el hindú, de gran
complejidad y coste elevado, no
podrían funcionar en estas
condiciones climáticas; en cambio,
los biodigestores tubulares de
plástico, instalados en una zanja con
aislamiento térmico del suelo, y
cubiertos con un invernadero que se
soporta sobre paredes gruesas de
arena compactada (adobe o
tapiales), son una buena alternativa
para superar estas limitaciones (13).
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Correo electrónico:
huerecom@hotmail.com
Jorge Luis Huere Peña, Eleuterio Martín Alcántara Espinoza, Franklin Surichaqui Gutiérrez
