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BIOGAS A PARTIR DE
RASTROJO DE MAIZ
RESUMEN
Para este trabajo, se planteó como objetivo el abastecimiento de una vivienda
tipo en zona rural, para ello se decidió que sea a partir de biogás. Se utilizara
un biodigestor anaerobio de campana fija semi-continuo, alimentado de rastrojo
de maíz.
1 INTRODUCCIÓN
La fermentación anaeróbica es un proceso natural que ocurre en forma
espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico.
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En un proceso de producción de Biogás se pueden utilizar residuos orgánicos
para producir energía a gran escala mediante la acción de microorganismos en
ausencia de aire. El producto resultante está formado por metano (CH4),
dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y otros gases en menor
proporción que los anteriores.
A pesar de que la producción agrícola es de vital importancia para el desarrollo de
la economía del país, la cantidad de residuos generados es cada vez mayor. La
producción de biogás a partir de esta materia prima inicia con la instalación
masiva de biodigestores para procesar residuos orgánicos, animales y vegetales
con el fin de producir la energía necesaria para atender las necesidades básicas.
La producción de biogás a partir de residuos agroindustriales tiene gran
importancia en la actualidad debido al crecimiento económico a causa de la
globalización. El total de la producción mundial de los residuos agroindustriales
es de aproximadamente de 3045x106 Toneladas anuales, el mayor productor es
el continente Asiático con 1367x106 Toneladas/año lo que representa el 44.9%
de la producción total, seguido por Europa, Norteamérica, Latinoamérica y
África siendo los dos últimos los menores generadores de estos residuos con un
9.1% y un 5.3% respectivamente.
La generación y uso del biogás como fuente de energía renovable, es una
opción con garantía de rentabilidad, pues no sólo resuelve un problema
ambiental al momento de reutilizar materia orgánica sino que permite a las
instalaciones agrícolas un ahorro económico al volverse autosustentable en
energía eléctrica y calorífica. El reaprovechamiento económico del metano
generado por los residuos puede colaborar en la reducción de la emisión de
gases invernadero. Así mismo, puede contribuir a reducir el agotamiento de las
reservas de combustibles fósiles lo cual trae consigo adopción de tecnologías de
acuerdo a las posibilidades de los productores para el aprovechamiento de los
residuos.
2 BIOGÁS EN ARGENTINA
El país aún no ha incursionado demasiado en materia de biogás y su producción
industrial, si bien éste se presenta como una nueva oportunidad de negocios
para la obtención de energía eléctrica y calor a partir de la biomasa y una
solución al problema de los desperdicios orgánicos de establecimientos agrícolas
e industriales que puede contribuir significativamente al mix energético del país.
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Dentro del programa nacional de promoción a los Biocombustibles, y junto con
la ley 26093/06, Argentina logró convertirse en 2009 en el primer exportador
mundial de biodiesel. En 2011, llegó a exportar U$S 3.026 millones y a ser el
cuarto productor mundial de biodiesel.
Por otro lado, la provincia de Córdoba impulsa el biogás en el sector rural y
lanzó, junto con la Federación Argentina de Cooperativas Eléctricas y el
Programa de Servicios Agrícolas Provinciales (PROSAP), un plan para que más
de 3.000 tambos generen su propia energía, con el fin de mitigar la
contaminación y obtener un fertilizante propio para sus cultivos. La energía
aportada por un metro cúbico de biogás equivale a la energía de 0,65 m3 de
gas natural y puede llegar a producir hasta 1,3 a 2,1 kW/h de energía eléctrica
renovable.
El biogás, en cambio, aún se presenta como una oportunidad latente de ser
producido en forma industrial, lo cual permitiría alimentar redes eléctricas y de
gas de uso público, brindando autonomía energética a pueblos y ciudades, y
ofreciendo una nueva posibilidad de agregado de valor en origen para los
productos y subproductos agropecuarios.
Sin embargo, contar con políticas y decisiones que impulsen el desarrollo de
nuevas fuentes a fin de poder ampliar la matriz energética es, sin dudas, el
principal eslabón de esta cadena.
3 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL BIOGÁS
El biogás es el producto de la conversión bioquímica o digestión de biomasa
orgánica. Se llama biogás a la mezcla constituida por metano (CH4) como
principal componente en una proporción que oscila entre un 50% - 70%, y
dióxido de carbono (CO2) que contiene pequeñas proporciones de otros gases
tales como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. El metano es el gas
que le confiere las características combustibles del mismo y su concentración
determina el valor energético del biogás.
El proceso, además, puede generar biofertilizante, lo que lo convierte en una
forma atractiva de generar energía y abono a partir de desechos orgánicos
como los que produce la agricultura.
En la Tabla 1 se muestra los componentes y su concentración.
Componentes Concentración
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Metano (CH4) 50-70%
Dióxido de Carbono
(CO2)
25-45%
Agua (H2O) 2-7% Volumen
Ácido Sulfhídrico (H2S) 20-20000 ppm
Nitrógeno (N2) <2% Volumen
Oxígeno (O2) <2% Volumen
Hidrógeno (H2) <1% Volumen
Contenido Energético 6 – 6.5 kW h m3
Equivalente de
Combustible
0,60 – 0,65 L petróleo/m3 biogás
Límite de explosión 6 – 12 % de biogás en el aire
Temperatura de ignición 650 – 750 ºC (con el contenido de CH4
mencionado)
Presión Crítica 74-88 atm
Temperatura Crítica -82,5 ºC
Densidad normal 1,2 kg/m3
Olor Huevo podrido (desulfurado es imperceptible)
Masa Molar 16,043 kg/kmol
Tabla 1. Componentes del Biogás
El factor de conversión de la DQO a metano será de 0,25 kg CH4/kg DQO (que
equivale a 0,38 m3 CH4/kg DQO a una temperatura de 25ºC y presión de una
atmósfera). En energía primaria sería de 3,5 kWh/DQO eliminada, hecho que
representa una gran ventaja frente sistemas aerobios que requieren 1 kWh/kg
O2 consumido. El metano es el vector energético y brinda un poder calorífico
que oscila entre 5.500 y 6.000 Kcal.
El biogás requiere un sistema de acondicionamiento para purificar el contenido
de sulfhídrico y vapor de agua.
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4 CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA
Residuos agrícolas: Los restos agrícolas procedentes de cultivos de consumo,
cultivos energéticos o generación de materias primas para la industria
alimentaria constituyen un sustrato apropiado, en general, para la digestión
anaeróbica. No obstante, la tipología del material usado, en función de la carga
orgánica que posea, genera una gran variabilidad en el potencial de biogás
existente en el residuo.
Residuos
Cantidad
residuo
Ton/ha
Relación
C/N
Volumen de biogás
m3/Ton m3/ha
Paja de Maíz 6,4 45:1 514 3300
Paja de Trigo 3,3 123:1 367 1200
Tabla 2. Producción de Biogás a partir de residuos vegetales
Se utilizara como biomasa rastrojo de maíz el cuales definido por el manual de
biogás como sustrato tipo 1(degradación eficiente).
Características Clase Tipo de Sustrato Características
Cuantitativas
Sólido 1
Basura Doméstica >20 % ST
40-70 % Fracción
Orgánica
Estiércol Sólido
Restos de Cosecha
Tabla 3. Clasificación de sustratos para la Digestión Anaerobia
El cultivo del maíz produce una gran cantidad de biomasa, de la cual se cosecha
apenas cerca del 50% en forma de grano. El resto, corresponde a diversas
estructuras de la planta tales como caña, hoja, limbos y mazorca entre otros.
Caña Porcentaje
Panoja 12%
Tallos 17,6%
Chalas 8,9%
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Espiga Porcentaje
Mazorca 11,8%
Grano 49,7%
Tabla 4. Porcentaje del peso seco según estructura
Cada una de estas estructuras posee características físico-químicas propias, lo
que le confiere un valor nutritivo muy diferente, dependiendo de si el residuo
corresponde a maíz de grano o maíz para consumo fresco. Los tallos presentan
las estructuras más lignificadas y de menor contenido de proteína bruta (3.1%)
y las hojas entre 4 y 7 %.
Materia
Prima
Lípidos
%
Proteínas
%
Celulosa
Hemicelulosa
%
Lignina
%
Ceniza
%
Caña de
Maíz
4,5 35,4 10,30 6,50
Tabla 5.
5 BIODIGESTOR CÚPULA FIJA
5.1 FUNCIONAMIENTO DEL BIODIGESTOR
Esta es la tipología de planta más sencilla de explotación debido a que no tiene
partes móviles, tiene un diseño muy compacto que ahorra espacio, está bien
aislada térmicamente, tiene unos costos accesibles y normalmente está
enterrada.
La construcción es laboriosa y necesita mano de obra con cierta preparación
debido al hecho que la parte superior (cúpula) deberá ser retén al gas para su
correcto funcionamiento, puesto que debe almacenarlo sin pérdidas, por lo que
se hace compleja su construcción, aumentando el coste. Se tendrá que usar
pintura estanca al gas para asegurar esta propiedad de la cúpula.
Tiene una vida útil muy larga, que puede ser de 20 años o más, por lo que los
costes de amortización de la planta serán relativamente bajos.
Cuando la producción de gas empieza, se desplaza el sustrato a la cámara de
expansión, acumulándose el gas en la cúpula. La presión aumenta con la
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acumulación del gas. La presión del gas viene dada por la altura de sustrato
acumulado en la cámara de expansión, se alcanza presiones de hasta 100 cm
de columna de agua. Se generan entre 0.15 y 0.20 volúmenes de gas por
volumen de digestor/día. Como consecuencia de la variación de presión, la que
aumenta al generarse el gas y disminuye al consumirse éste, se reduce la
eficiencia en los equipos consumidores. Una o dos veces al año el digestor se
vacía completamente aplicando el residuo (sólido) a los campos de cultivo. Los
tiempos de retención de operación para estos biodigestores son de 30 a 60 días
y alcanza una eficiencia máxima 50% de reducción de la materia orgánica.
La decisión de elegir este biodigestor, fue porque vimos que en una vivienda no
debe haber fluctuaciones de energía, entonces se decidio colocar un gasometro
para evitar las alteraciones.
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5.2 COMPONENTES DE LA PLANTA DE BIOGÁS
5.2.1.1 Molienda
El picado y molienda de los residuos de cosecha, en este caso el rastrojo, se
realiza para poder aumentar la superficie de contacto y para que la lignina de la
planta se digiera más fácilmente. Se la debe dejar a un tamaño de entre 1-1,5
cm. Para este fin se puede usar un molino sencillo o incluso un machete.
5.2.1.2 Tanque de mezclado
Los objetivos buscados con la agitación son evitar la formación de costra que se
forma dentro del digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la
formación de espacios “muertos” sin actividad biológica.
El sustrato fresco normalmente se mezcla en un tanque antes de ser entrado en
el digestor, hasta ser homogeneizado y conseguir la consistencia necesaria. El
grado de homogeneización y contenido de sólidos puede ser más fácilmente
conseguido con la ayuda de un agitador.
Se coloca un tapón en el tubo de descarga que comunica con el desarenador,
fácilmente removibles sin necesidad de tocar el sustrato. El tubo de entrada del
digestor debe ser tapado durante el proceso de mezclado, se puede utilizar un
tapón de madera o roca.
Es mejor localizar el tanque de mezclado en un lugar soleado, hecho que
ayudará a que la mezcla entre más caliente al digestor y por tanto evitará el
choque térmico por la diferencia de temperatura del material que se encuentra
en el digestor (más caliente).
Este tanque, en cualquier planta con alimentación semi-continua, tiene un
volumen interno un poco mayor que el volumen de carga diario, entre 10-20%.
5.2.1.3 Desarenador
El desarenador se utiliza para evitar que materiales inertes penetren en el
biodigestor, como piedras que por accidente sean arrastradas por el sustrato.
Se coloca contiguamente al tanque de mezcla y previamente a la entrada del
digestor.
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Es conveniente construir el tanque con una pequeña inclinación hacia el lado
opuesto al tubo de carga, para evitar la entrada de estos materiales.
5.2.1.4 Entrada y salida
Las tuberías de entrada (alimentación) y la salida, llegan directamente al
digestor en un ángulo inclinado. Para sustrato líquido el diámetro de estas
tuberías deberá ser entre 10-15 cm. La entrada y salida deberán ser
construidas con plástico u hormigón.
Las tuberías de entrada y salida deben ser de fácil acceso y rectas, de forma
que una varilla pueda ser empujada a través de los orificios para eliminar
posibles obstrucciones y agitar el contenido del digestor. Se complementará la
entrada con un tapón para poder controlar la llenada del digestor.
Las tuberías deben penetrar la pared del digestor en un punto por debajo del
nivel más bajo de la mezcla (no por la zona donde se almacena el gas). El
extremo que penetra en el biodigestor debe estar a una altura de, como
mínimo, 40-60 cm del fondo, para evitar que el material sedimentado lo
obstruya.
Los puntos de penetración deberán ser sellados y reforzados con mortero. La
tubería de entrada debe terminar en un punto más alto que el inicio del tanque
de compensación, para promover un fluido del sustrato más uniforme.
En las plantas de cúpula fija, la entrada y la salida definen el punto más bajo de
la parte destinada a acumular gas dentro del biodigestor, actuando como una
válvula de seguridad y liberando a la construcción de una sobre-presión. La
entrada y la salida deben ser previstas antes de la construcción. No se pueden
hacer agujeros posteriores, ya que debilitaría la estructura.
5.2.1.5 Digestor
El tanque de fermentación tendrá que cumplir los siguientes requisitos:
Estanqueidad
Estanqueidad al agua, para prevenir filtraciones y la resultante
contaminación de suelos y aguas subterráneas.
Estanqueidad al gas para contener todo el biogás creado y para prevenir
que el aire entre en el digestor, hecho que podría provocar una mezcla
explosiva.
Aislamiento
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El aislamiento depende de las temperaturas exteriores a las que se
encuentre el digestor, las pérdidas de calor deberán ser minimizadas en
caso de tener bajas temperaturas en el exterior, en cambio el
calentamiento del digestor es mucho más fácil cuando las temperaturas
son altas como es el caso. Por lo tanto, será fácil que el digestor esté a la
temperatura necesaria.
Mínima superficie
Reducirá los costes de construcción al mínimo y las pérdidas de calor a
través de las paredes.
En el caso del digestor de cúpula fija, la construcción más adecuada es la
hemisférica con base cónica para reducir al máximo estas pérdidas.
Estabilidad estructural
Suficiente para soportar todas las cargas estáticas y dinámicas y
resistente a la corrosión.
Fuerzas internas y externas: Dos fuerzas relevantes actúan sobre el
digestor. La presión externa de la tierra, que crea fuerzas de compresión.
La fuerza del gas interior, que crea fuerzas de tensión.
Por lo tanto las fuerzas exteriores deben ser superiores a las interiores,
las formas redondeadas y esféricas ayudan a soportar mayor fuerzas y
distribuirlas de manera uniforme. Los bordes y esquinas llevan a picos de
tensión que pueden provocar grietas.
5.2.1.6 Gasómetro:
El gasómetro es la parte del digestor destinada a la acumulación del gas
producido para su posterior consumo y dependen del tipo de biodigestor. Para
biodigestores de cúpula fija:
El acumulador de gas en los biodigestores de cúpula fija se encuentra en la
parte superior de la cúpula del digestor. En estas plantas el gas acumulado en
la parte superior desplaza el volumen correspondiente de mezcla digerida.
Para evitar el sobrellenado de la planta se deberá construir un tanque de
compensación
La salida de gas debe estar unos 10 cm por encima del nivel de reboso
para evitar obstrucciones en la tubería
Para contrarrestar la gran presión que se crea en el interior, la planta
deberá ser construida por debajo del nivel del suelo para que la arena ayude a
contrarrestar esta presión.
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Se debe tener cuidado en cerrar bien el hueco superior para evitar
accidentes, reforzando la tapa con 100 kg o más. La forma más apropiada es
reforzar con abrazaderas.
Se debe acabar bien la cúpula para que sea estanca al gas. Se deberá
recubrir con material especial y asegurar que la construcción sea fuerte y esté
libre de grietas.
El pie del acumulador de gas debe ser estabilizado con un anillo de
mortero.
5.2.1.7 Tanque de compensación:
En el caso del biodigestor de cúpula fija, al generar el biogás éste desplaza el
líquido y eleva el nivel en el tanque de compensación hasta el reboso, como se
puede observar en la figura
Cuando se genera gas, este desplaza la mezcla hacia el tanque de
compensación, y cuando el gas es consumido la mezcla vuelve al interior del
digestor.
Es una parte importante para acumular el gas cuando hay picos de producción
y éste no puede ser consumido. La presión del gas aumenta con el volumen de
gas producido, es decir con la diferencia de niveles en los dos tanques.
5.2.1.8 Tanque de salida de lodos:
Este tanque se utiliza para la limpieza de los lodos acumulados en el fondo del
digestor.
Acompaña al digestor de cúpula fija y no al tubular ya que el vaciado de éste
último es mucho más accesible. El tubo de salida de lodos conecta el digestor
con el tanque de salida de lodos, permitiendo las operaciones de mantenimiento
necesarias.
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5.2.1.9 Filtro H2S
El biogás contiene un pequeño porcentaje de un ácido sulfhídrico (H2S), que
además de ser tóxico, puede corroer las partes metálicas de los equipos con los
que usemos el biogás.
Para evitarlo se coloca un filtro que consiste en un tramo de tubo lleno de
virutas de hierro oxidadas. En los extremos se coloca una unión universal, que
permitirá desmontar el filtro para cambiar las virutas, y de ahí se conecta a la
conducción.
En un extremo, las reducciones irán pegadas con pegamento de PVC, pero en el
otro se coloca pasta de empaquetadura, que sella pero no pega, de modo que
se podrán retirar las virutas y substituirlas.
5.3 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en
ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas,
se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y
en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y
compuestos de difícil degradación.
Esta fermentación, involucra un número de microorganismos de distinto tipo,
los cuales pueden dividirse en: microorganismos de fase de hidrólisis,
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microorganismos de fase de acidificación y microorganismos de fase
metanogénicas.
La producción de metano constituye la última parte del proceso y no ocurre si
no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos.
El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la
reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético
de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de
los productos tratados.
La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos,
agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos
productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos
agrícolas o excedentes de cosechas, etc.
La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de
aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas
industrias alimentarias.
5.3.1 Las fases de la digestión anaerobia
Durante la primera etapa, la hidrólisis, los compuestos complejos del material
inicial (como carbohidratos, proteínas y grasas) se dividen en compuestos
orgánicos más simples (por ejemplo aminoácidos, azúcares y ácidos grasos).
Las bacterias hidrolíticas que participan en esta etapa liberan enzimas que
descomponen el material por medios bioquímicos. Los productos intermedios
formados por este proceso se dividen luego durante la acidogénesis (la fase de
acidificación) por medio de bacterias fermentadoras (que forman ácidos) para
formar ácidos grasos más bajos (acético, prebiótico y butírico) junto con dióxido
de carbono e hidrógeno. Además, también se forma pequeñas cantidades de
ácido láctico y de alcoholes. La naturaleza de los productos formados en esta
etapa es influida por la concentración del hidrógeno intermedio. En la
acetogénesis, es decir, la formación de ácido acético, estos productos se
convierten luego por medio de bacterias acetogénicas en precursores de biogás
(ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono). Al respecto, es particularmente
importante la presión parcial del hidrógeno. Un contenido de hidrógeno
excesivamente alto impide la conversión de los productos intermedios de la
acidogénesis por razones relacionadas con la energía. En consecuencia, se
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acumulan los ácidos orgánicos, como el ácido propiónico, el ácido isobutírico, el
ácido isovalérico y el ácido hexanoico, e inhiben la formación del metano. Por
esta razón, las bacterias acetogénicas (bacterias que forman hidrógeno) deben
coexistir en una comunidad biótica cerrada (biocenosis) con las arqueas que
consumen hidrógeno, las cuales consumen hidrógeno junto con dióxido de
carbono durante la formación de metano (transferencia de hidrógeno entre
especies), asegurando así un ambiente aceptable para las bacterias
acetogénicas. Durante la fase subsiguiente, la metanogénesis , la etapa final de
generación de biogás, sobre todo el ácido acético pero también el hidrógeno y
el dióxido de carbono se convierten en metanos por medio de arqueas
metanogénicas estrictamente anaeróbicas. Los metanógenos hidrogenotróficos
producen metano a partir del hidrógeno y del dióxido de carbono, mientras que
las bacterias acetoclásticas que forman metano lo producen por división del
ácido acético. En las condiciones prevalecientes en las plantas de biogás
agrícolas a tasas de carga orgánica más elevadas, el metano se forma
principalmente por medio de la vía de reacción que utiliza hidrógeno, aunque es
solamente a tasas de carga orgánica relativamente bajas que se forma el
metano por medio de la vía de reacción que involucra la división del ácido
acético. De la digestión del lodo de desagüe se sabe que el 70% del metano se
origina de la división del ácido acético y solamente el 30% de la utilización del
hidrógeno. Sin embargo, en una planta de biogás agrícola, esto es así
efectivamente sólo en los mejores casos de digestores de alta capacidad con
tiempos de retención muy cortos. La investigación reciente confirma que la
transferencia de hidrógeno entre especies es en efecto lo que determina la tasa
de formación de metano. Esencialmente las cuatro fases de la degradación
anaeróbica ocurren simultáneamente en un proceso de etapa única. Sin
embargo, como las bacterias involucradas en las diferentes fases de
degradación tienen distintas necesidades en términos de hábitat (respecto del
valor de pH y la temperatura, por ejemplo), se tiene que encontrar una solución
de compromiso en la tecnología del proceso. Ya que los microorganismos
metanogénicos son el eslabón más débil en la biocenosis debido a su baja tasa
de crecimiento y son los más sensibles en responder a las perturbaciones, se
tiene que adaptar las condiciones ambientales a las necesidades de las bacterias
que forman metano. Sin embargo, en la práctica, cualquier intento de separar
físicamente la hidrólisis y la acidogénesis de la metanogénesis implementando
dos etapas distintas en el proceso (gestión del proceso en dos fases) tendrá
éxito sólo limitadamente porque, a pesar del bajo valor de pH en la etapa de
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hidrólisis (pH < 6,5), todavía se formará algo de metano. El gas de hidrólisis
resultante entonces contiene también metano además de dióxido de carbono y
de hidrógeno. Por eso se tiene que utilizar o tratar el gas de hidrólisis para
evitar consecuencias ambientales negativas y riesgos de seguridad. En los
procesos multietapas, se pueden establecer diferentes ambientes en cada etapa
del digestor dependiendo del diseño de la planta de biogás y de su régimen
operativo, así como de la naturaleza y concentración de la masa fresca utilizada
como sustrato. A su vez las condiciones del ambiente afectan la composición y
actividad de la biocenosis microbiana y, de esta manera tienen una influencia
directa en los productos metabólicos resultantes.
La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases
consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término
genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos),
interviniendo 5 grandes poblaciones de microorganismos. Estas poblaciones se
caracterizan por estar compuestas por seres de diferentes velocidades de
crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como
inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la
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acidogénesis de aminoácidos). Esto implica que cada etapa presentará
diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato y que el
desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la
acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos
grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del pH. Para la
estabilidad del pH es importante el equilibrio CO2-bicarbonato. Para hacer
posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias
acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas
diferentes poblaciones.
Lo anterior implica que las puestas en marcha de los reactores sean, en
general, lentas, requiriendo tiempos que pueden ser del orden de meses.
En general, la velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa
más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Para sustratos
solubles, la fase limitante acostumbra a ser la metanogénesis, y para aumentar
la velocidad la estrategia consiste en adoptar diseños que permitan una elevada
concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor.
Con esto se pueden conseguir sistemas con tiempo de proceso del orden de
días. Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas,
la fase limitante es la hidrólisis, proceso enzimático cuya velocidad depende de
la superficie de las partículas. Usualmente, esta limitación hace que los tiempos
de proceso sean del orden de semanas, de dos a tres. Para aumentar la
velocidad, una de las estrategias es el pre tratamiento para disminuir el tamaño
de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento
térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas)
5.3.2 Factores determinantes en el proceso metanogénicos (producción
de biogás)
5.3.2.1 Nutrientes
Materia prima C % N% P2O5 % K2O
%
CaO % MgO
%
Rastrojo de Maíz 30-40 0,8-1,8 0,4-0,06 2,4 0,5 0,49
Tabla 6
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5.3.2.2 Relación carbono/nitrógeno
Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser
sometida a fermentación anaeróbica. La calidad y la cantidad del biogás
producido dependerán de la composición y la naturaleza del residuo utilizado.
Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima
para el metano-bacteria, ya que ellas se inhiben severamente por falta de
nutrientes.
El carbono y el nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de las
bacterias metanogénicas. El carbono constituye la fuente de energía y el
nitrógeno es utilizado para la formación de nuevas células. Estas bacterias
consumen 30 veces más carbono que nitrógeno, por lo que la relación óptima
de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de 30:1
hasta 20:1
La descomposición de materiales con alto contenido de carbono, superior a
35:1, ocurre más lentamente, porque la multiplicación y desarrollo de bacterias
es bajo, por la falta de nitrógeno, pero el período de producción de biogás es
más prolongado. En cambio, con una relación C/N menor de 8:1 se inhibe la
actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de amonio,
el cual en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso.
En términos generales, se considera que una relación C/N óptima que debe
tener el material fresco o crudo” que se utilice para iniciar la digestión
anaeróbica, es de 30 unidades de carbono por una unidad de nitrógeno, es
decir, C/N = 30/1. Por lo tanto, cuando no se tiene un residuo con una relación
C/N inicial apropiada, es necesario realizar mezclas de materias en las
proporciones adecuadas para obtener la relación C/N óptimas.
Materiales %C %N C/N
Rastrojo de Maíz 40 0,75 53:1
Tabla 7
La relación C/N de nuestra biomasa nos dice que su descomposición será más
lenta.
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5.3.2.3 Sólidos totales y sólidos volátiles
Toda la materia orgánica está compuesta de agua y una fracción sólida llamada
sólidos totales
(ST). El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga
el digestor es un factor importante a considerar para asegurar que el proceso se
efectúe satisfactoriamente. La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro
del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se aumenta el
contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y
producción de gas.
Experimentalmente se ha demostrado que una carga en digestores semi-
continuos no debe tener más de un 8% a 12 % de sólidos totales para asegurar
el buen funcionamiento del proceso, a diferencia de los digestores discontinuos,
que tienen entre un 40 a 60% de sólidos totales.
Los Sólidos Volátiles (S.V.) es aquella porción de sólidos totales que se libera de
una muestra, volatilizándose cuando se calienta durante dos horas a 600ºC.
Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser
convertidos a metano.
Materia Prima % Sólidos
Totales
Rastrojo de Maíz 77
Tabla 8.
Cálculo de la proporción de agua a mezclar con la materia
Diluiremos rastrojo de maíz hasta obtener una mezcla diluida con 7.7% de
solidos totales
Con la anterior formula se pudo calcular que para una mezcla de 7.7% de
solidos totales necesitaremos 9 L de agua por cada Kg de rastrojo de maíz
alimentado en el reactor.
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5.3.2.4 Temperatura
Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son
fuertemente dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los
procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento de los
microorganismos involucrados que a su vez, dependen de la temperatura. A
medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de crecimiento de
los microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar a
mayores producciones de biogás.
La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales
parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad
de digestión anaeróbica.
Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden disparar la
desestabilización del proceso. Por ello, para garantizar una temperatura
homogénea en el digestor, es imprescindible un sistema adecuado de agitación
y un controlador de temperatura.
Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los
microorganismos anaeróbicos:
Fermentación Mínimo Óptimo Máximo Tiempo de
fermentación
Psicrófilos
(por debajo de
25°C)
4-10 ºC 15-18 ºC 20-45 ºC Sobre 100 días
Mesófilos
(entre 25 y 45°C) 15-20 ºC 25-35 ºC 35-45 ºC 30-60 días
Termófilos
(entre 45 y65°C)
25-45 ºC
50-60 ºC 75-80 ºC 10-15 días
Tabla 9.
Siendo la velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor, conforme
aumenta el rango de temperatura. Dentro de cada rango de temperatura,
existe un intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo, determinando
así la temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles de
operación.
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El régimen mesofílico de operación es el más utilizado, a pesar de que en la
actualidad se está implementando cada vez más el rango termofílico, para
conseguir una mayor velocidad del proceso, lo que implica, a la vez, un
aumento en la eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen
termofílico suele ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de
operación y presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por
la mayor toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas,
como el nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga.
La temperatura media de la zona es de unos 16.7ºC, dentro del rango
Psicrófilo, según Tabla 10, corresponde un tiempo de retención aproximado de
100 días. Lo cual es un tiempo muy grande para estos tipos de biodigestores
que operan de 30 a 60 días. Por ende, tomamos el régimen mesofílico para la
operación ya que es el más utilizado correspondiéndole un tiempo de
fermentación entre 30-60 días para una temperatura de entre 25-35°C.
Tiempo de retención hidráulico (TRH)
El tiempo de retención, junto con la velocidad de carga orgánica determinada
por el tipo de sustrato, son los principales parámetros de diseño, definiendo el
volumen del digestor.
La materia orgánica o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la materia
seca (MS) o sólidos totales (ST), que se volatilizan durante la incineración a
temperaturas superiores a 550ºC.La eficiencia de la producción de biogás se
determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por
unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango
de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La
concentración óptima depende de la temperatura.
Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgánica.
La velocidad de degradación depende en gran parte de la temperatura;
mientras mayor sea la temperatura, menor es el tiempo de retención o
fermentación para obtener una buena producción de biogás.
En un digestor que opera a régimen estacionario o “discontinuo”, el tiempo de
retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga.
En un sistema de carga diaria (régimen semicontinuo), el tiempo de retención
va a determinar el volumen diario de carga que será necesario para alimentar al
digestor, ya que se tiene la siguiente relación:
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La cantidad de biogás producido por un digestor dependerá, entre otros, de la
cantidad de residuo cargado diariamente. Por lo tanto, mientras menor sea el
tiempo de retención, el tamaño del digestor se reduce y también los costos.
La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los
tiempos de retención requeridos y consecuentemente serán menores los
volúmenes de reactor necesarios para digerir un determinado volumen de
material.
Con relación al tipo de sustrato, generalmente los materiales con mayor
proporción de carbono retenido en moléculas resistentes como la celulosa
demandarán mayores tiempos de retención para ser totalmente digeridos.
Al aumentar el TRH, aumenta el grado de materia orgánica degradada así como
la producción de metano, aunque este último valor comenzará a disminuir una
vez alcanzado el óptimo.
Para los cálculos siguientes se toma como TRH=30días, ya que se calcula la
capacidad mínima de producción de biogás del reactor.
5.3.2.5 Rangos de pH y alcalinidad
El proceso anaeróbico es afectado adversamente con pequeños cambios en los
niveles de pH (que se encuentran fuera del rango óptimo). Los
microorganismos metanogénicos son más susceptibles a las variaciones de pH
que los otros microorganismos de la comunidad microbiana anaeróbica. Los
diferentes grupos bacterianos presentes en el proceso de digestión anaeróbica
presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a la neutralidad. El
óptimo es entre 5.5 y 6.5 para acidogénicos y entre 7.8 y 8.2 para
metanogénicos.
El pH óptimo para cultivos mixtos se encuentra en el rango entre 6.8 y 7.4,
siendo el pH neutro el ideal.
Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6.0
ni subir de 8.0. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción
de biogás sino también su composición. Una de las consecuencias de que se
produzca un descenso del pH a valores inferiores a 6 es que el biogás generado
es muy pobre en metano y, por tanto, tiene menores cualidades energéticas.
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Debido a que la metanogénesis se considera la etapa limitante del proceso, es
necesario mantener el pH del sistema cercano a la neutralidad.
Los valores de pH bajos reducen la actividad de los microorganismos
metanogénicos, provocando la acumulación de ácido acético y H2. Al aumentar
la presión parcial del H2, las bacterias que degradan el ácido propiónico serán
severamente inhibidas, causando una excesiva acumulación de ácidos grasos
volátiles de alto peso molecular, particularmente ácidos propiónico y butírico,
los cual disminuirá la producción de ácido acético, generando una disminución
del pH. Si la situación no se corrige, el proceso eventualmente fallará.
Por otra parte, al aumentar el pH se favorece la formación de amoníaco que, en
elevadas concentraciones, es inhibidor del crecimiento microbiano y a valores
de pH bajos se genera mayoritariamente la forma no ionizada del ácido acético,
que inhibe el mecanismo de degradación del propionato.
En el momento del ingreso de la materia prima, se mide el pH de la misma. En
caso que sea ácido se le agrega junto al agua una lechada de cal.
Niveles de sales
Al igual que en todas las operaciones bioquímicas, se requieren macronutrientes
(nitrógeno y fósforo) y micronutrientes (minerales traza) en el proceso
anaeróbico para la síntesis de nueva biomasa. Sin embargo, una de las ventajas
de los procesos de digestión anaeróbica, frente a los procesos aeróbicos, es su
baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos índices de producción de
biomasa que presentan los microorganismos anaeróbicos.
Además del nitrógeno y el fósforo, se han identificado otros nutrientes trazas
como esenciales para los microorganismos anaeróbicos. Los metales traza tales
como hierro, cobalto, molibdeno, selenio, calcio, magnesio, zinc, cobre,
manganeso, tungsteno y boro a niveles de mg/L y la vitamina B12 en niveles
de μg/L , se ha encontrado que mejoran la producción de metano.
Algunos de los metales traza y sus roles en el proceso anaeróbico se discuten a
continuación:
Niquel: El Ni es particularmente importante para los metanogénicos
debido a que es un constituyente estructural del factor F430, el cual se
encuentra exclusivamente en las bacterias metanogénicas.
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Cobalto: Es importante debido a que también es un constituyente
estructural de la vitamina B12, la cual cataliza la metanogénesis. El
níquel, cobalto y otros minerales traza son esenciales para la
degradación del metanol en un reactor bajo condiciones mesofílicas.
Potencial redox
Para adecuado crecimiento de los anaeróbios, el valor del potencial redox se
debe mantener entre -220 mV a -350 mV a pH 7.0 de manera de asegurar el
ambiente fuertemente reductor que las bacterias metanogénicas necesitan para
su óptima actividad.
Cuando se cultivan metanogénicas, se incorporan agentes reductores fuertes
tales como sulfuro, cisteína o titanio III para ajustar el medio a un potencial
redox adecuado.
Tóxicos e inhibidores de la metanogénesis
El proceso de digestión anaeróbica es inhibido por la presencia de sustancias
tóxicas en el sistema. Estas sustancias pueden formar parte de las materias
primas que entran al digestor o pueden ser subproductos de la actividad
metabólica de los microorganismos anaeróbicos.
Sustancias tales como amoníaco, metales pesados, compuestos halogenados,
cianuro y fenoles, forman parte del primer grupo, en tanto que, sulfuro,
amoníaco y ácidos grasos de cadena larga, forman parte del último grupo
mencionado.
En algunos casos, la magnitud del efecto tóxico de una sustancia puede ser
reducida significativamente mediante la aclimatación de la población de
microorganismos al tóxico. Por otra parte, muchas de estas sustancias a bajas
concentraciones pueden ser estimuladoras del proceso.
Ácidos grasos volátiles.
La concentración de ácidos grasos volátiles (AGV), productos intermedios
mayoritarios del proceso anaeróbico, es uno de los parámetros que más
eficazmente pueden indicar la evolución del proceso. De hecho, este parámetro
es uno de los más utilizados en los sistemas de control debido a su rápida
respuesta ante variaciones del sistema. El término “volátil” indica que pueden
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ser recuperados por destilación a presión atmosférica. Durante la degradación
anaeróbica, la materia orgánica compleja es hidrolizada y fermentada en
compuestos de bajo peso molecular, incluyendo ácidos grasos de cadena corta
(C2-C6). Estos incluyen principalmente ácidos acéticos, propiónico y butírico y
en menores cantidades ácidos isobutírico, valérico, isovalérico y caproico.
Al igual que el sulfuro y el amoníaco, las formas no ionizadas de AGV inhiben
las bacterias metanogénicas cuando presentan concentraciones de 30-60 mg/L.
Un aumento en la concentración de ácidos volátiles en el sistema, implica una
desestabilización del proceso y, en consecuencia, una disminución de la
producción de biogás.
Hidrógeno.
El hidrógeno es también un compuesto intermedio importante del proceso
anaeróbico. Su acumulación en el medio provoca la inhibición de la
acetogénesis y, consecuentemente, la acumulación de ácidos grasos volátiles
con más de dos átomos de carbono.
Nitrógeno amoniacal
El amoniaco puede estar presente en las materias primas que entran al digestor
o ser producido durante la degradación anaeróbica de compuestos orgánicos
nitrogenados tales como proteínas o aminoácidos. Las proteínas generalmente
contienen 16% de nitrógeno. Durante el proceso anaeróbico, el nitrógeno
orgánico es hidrolizado dando lugar a formas amoniacales.
Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente importante para el crecimiento
bacteriano, una concentración excesiva puede limitar su crecimiento.
El nitrógeno amoniacal es la suma del ión amonio (NH4+) y del amoníaco (NH3).
Ambas especies se encuentran en equilibrio químico, y la concentración relativa
de cada una depende del pH, tal indica la ecuación de equilibrio:
De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoníaco libre ya que
se ha comprobado experimentalmente que el efecto inhibitorio por amonio
aumenta a pH alcalino.
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Además del pH, la cantidad de amoníaco libre depende de la concentración del
sustrato, de la relación C/N, de la capacidad tamponadora del medio y de la
temperatura de digestión.
Muchas industrias agropecuarias generan residuos con altos contenidos de
amoníaco. La digestión anaeróbica de tales residuos generalmente presenta
problemas debido a los altos niveles de amoníaco.
Sulfatos y sulfuros.
La presencia de elevadas concentraciones de sulfato en el sustrato puede
producir la inhibición del proceso anaeróbico, especialmente de la
metanogénesis. En presencia de sulfatos, las bacterias metanogénicas compiten
con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos (acetato e hidrógeno),
mostrando éstas últimas ventajas termodinámicas y cinéticas sobre las
primeras. El resultado de esta competencia determinará la proporción de ácido
sulfhídrico y metano en el biogás producido.
El sulfuro puede producirse durante la degradación de materia orgánica que
contiene azufre (proteínas), encontradas en residuos tales como el guano de
cerdo. En general, los metanogénicos son más sensibles que los acidogénicos y
acetogénicos, comenzando a ser tóxica una concentración de 50 mg/l, si los
microorganismos metanogénicos no están aclimatados a los sulfuros. La forma
más tóxica para los metanogénicos corresponde a la no ionizada (H2S), por lo
que la inhibición se favorece a pH bajos y a bajas temperaturas. La forma
ionizada (HS-) presenta menor toxicidad.
Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competencia por
el sustrato entre los microorganismos metanogénicos y sulfato-reductores y la
segunda es una inhibición directa del crecimiento metanogénico por la
presencia de sulfuros solubles.
Cationes y metales pesados.
Los cationes de metales alcalinos y alcalino-térreos tienen un efecto estimulador
de la actividad de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de un nivel de
concentración, pueden proporcionar toxicidad provocando una disminución de la
velocidad de crecimiento.
La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los
metales pesados son los que provocan toxicidad a menor concentración. El
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orden de toxicidad de los metales pesados es Ni>Cu >Cr (IV) ~ Cr
(III)>Pb>Zn.
5.3.2.6 Agitación - Mezclado
Los objetivos buscados con la agitación son: remoción de los metabolitos
producidos por las bacterias metanogénicas, mezclado del sustrato fresco con la
población bacteriana, evitar la formación de costra que se forma dentro del
digestor, uniformar la densidad bacteriana y evitar la formación de espacios
“muertos” sin actividad biológica que reducirían el volumen efectivo del reactor
y prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor.
En la selección del sistema, frecuencia e intensidad de la agitación se debe
considerar que el proceso anaeróbico involucra un equilibrio simbiótico entre
varios tipos de bacterias. La ruptura de ese equilibrio en el cuál el metabolito de
un grupo específico servirá de alimento para el siguiente implicará una merma
en la actividad biológica y por ende una reducción en la producción de biogás.
La agitación aumenta la producción de gas y disminuye el THR, esto es
básicamente por cuatro razones:
• Distribución uniforme de la temperatura y substrato en el interior del
biodigestor.
• Distribución uniforme de los productos, tanto intermedios como finales.
• Mayor contacto entre el substrato y las bacterias, evitando la formación de
cúmulos alrededor de las bacterias.
• Evitar la acumulación de lodo en la parte superior del digestor, también
llamada “nata” o “espuma” que dificulta la salida del biogás.
Se distinguen 3 tipos de agitación, estas son:
• Mecánica: a través de agitadores manuales o con motores eléctricos.
• Hidráulica: a través de bombas de flujo lento se hace recircular la biomasa.
• Burbujeo de biogás: se recircula el biogás producido al fondo del biodigestor
por medio de cañerías, para producir burbujeo y de esta manera movimiento de
la biomasa
El tipo de agitación seleccionado para la mezcla rastrojo de maíz-agua es de
tipo mecánica.
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5.3.3 Potenciales y rendimientos
La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo determinado
depende de su potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la
velocidad de carga orgánica, de la temperatura de operación y de la presencia
de inhibidores.
Se planteo como objetivo el abastecimiento de una casa de familia tipo en zona
rural a partir de la instalación de un biodigestor de campana fija con régimen de
alimentación semi-continuo a partir de rastrojo de maíz. El consumo energético
de la misma es aproximadamente de 8958 Kwh/año, incluyendo gas y luz. En
la tabla a continuación se detallan los cálculos.
Cantidad de residuo generado por
hectárea 6.4 Tn
Producción de biogás 3300m3/ha = 514m3/Tn
Tiempo de retención 30 días
Temperatura de operación 25-35°C
Cantidad de agua por kilo de rastrojo 9Lt
Volumen reactor 2,54 m3
Tipo de agitación Mecánica
Rendimiento de Rastrojo de maíz por día.
1 tn de rastrojo de maíz=514
m3 de BG
1 tn de rastrojo de maíz=3212.5
Kwh
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Consumo energético vivienda tipo por mes:
Energía eléctrica 220Kwh/mes
Gas natural 45m3/mes
Consumo total de una casa en Kwh al mes 746.5Kwh/mes
Cantidad de alimentación Materia Seca al biodigestor:
Con una densidad aproximada de rastrojo de 0.5Tn/m3
Cantidad de agua de alimentación al biodigestor
Carga diaria al biodigestor
Volumen de digestión (VD)
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Volumen del reactor (VR)
En este caso el volumen del reactor coincide con el de digestión ya que el
espacio reservado para el gas, una tercera parte del volumen de
digestión, es el espacio destinado al tanque de compensación.
5.3.4 Efluente
El efluente del biodigestor puede ser utilizado como abono orgánico. Dentro del
biodigestor no existen pérdidas apreciables para el fósforo, potasio y calcio.
El fertilizante obtenido de la digestión anaerobia provee nutrientes que actúan
rápidamente en el suelo, siendo inmediatamente disponibles para las plantas.
Actúan simultáneamente favoreciendo el desarrollo de los microorganismos del
suelo.
El alto contenido de nitrógeno amoniacal ayuda a reducir el ratio de eliminación
del nitrógeno del suelo, comparado con fertilizantes que contienen formas de
nitrógeno más solubles en agua, como nitritos o nitratos (el estiércol o el
compost). Se considera pues que el biol tiene mejor eficiencia en el ciclo del
nitrógeno que los fertilizantes químicos.
El nitrógeno es uno de los nutrientes más necesarios para las plantas. Durante
el proceso de digestión anaerobia, el nitrógeno es extraído por las bacterias de
las cadenas largas de la materia orgánica alimentada, convirtiéndose en formas
más solubles y asimilables por las plantas (nitratos y amonio) mediante el
proceso de mineralización.
Esta propiedad fertilizante se desarrolla únicamente a corto plazo, por lo que el
efluente debe ser rápidamente, o en el menor tiempo posible, aplicado
directamente en la raíz de las plantas.
Las propiedades del biol son muchas, y se ha estudiado incluso la posibilidad de
usarlos como mejoradores de suelo para zonas salinas, llegando a la conclusión
que son apropiados para iniciar de nuevo la mineralización del suelo, fijando
nutrientes como nitrógeno.