Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ DISEÑO DE UN BIODIGESTOR ANAERÓBICO PARA LA OBTENCIÓN DE BIOGAS A PARTIR DE LA FERMENTACIÓN DE ESTIÉRCOL DE CUY Y CONEJO Resumen: En el presente documento se van a detallar los parámetros utilizados para el ensamblaje y elaboración de un Biodigestor casero con el fin de obtener biogás a partir de la fermentación anaerobia de estiércol de cuy y conejo. Una vez realizado el diseño se procedió a la implementación y mantenimiento de los parámetros, temperatura y presión del digestor en cuestión. Las muestras de biogás obtenidos fueron analizadas con cromatografía de gases para determinar la presencia de compuestos específicos de la mezcla del biogás. Palabras clave: Biogás, biodigestor, fermentación anaerobia. DESIGN OF AN ANAEROBIC BIODIGESTOR FOR OBTAINING BIOGAS FROM THE FERMENTATION OF GUINEA PIGS AND RABBIT MANURE Abstract: This document will detail the parameters used for the assembly and preparation of a homemade Biodigester in order to obtain biogas from the anaerobic fermentation of guinea pig and rabbit manure. Once the design is completed, the implementation and maintenance of the parameters, temperature and pressure of the digester in question are carried out. Biogas samples were analyzed with gas chromatography to determine the presence of specific compounds in the biogas mixture. Keywords: Biogas, biodigestor, anaerobic fermentation. 1 1. INTRODUCCIÓN A nivel mundial existe una importante producción de biomasa de desecho en las diferentes actividades antrópicas, y en particular en el área agropecuaria. (Cervantes, 2007) Esto impulsa a la búsqueda de alternativas para el aprovechamiento de la misma, que bien sirve como elemento para la producción de energía; desde la Revolución Industrial la demanda de energía ha ido en aumento y existe una fuerte necesidad de buscar nuevas fuentes de energía que sean amigables con el ambiente. (Gonzabay y Suárez, 2016) Actualmente la energía se obtiene en su mayoría de fuentes fósiles como el petróleo, sus derivados, y el carbón debido a su versatilidad de usos y gran poder calórico, sin embargo, con su uso existe una importante generación de emisiones que empeoran la situación actual de contaminación. Es por ello que se genera la necesidad de buscar otro tipo de fuentes de energía (no fósil) que colaboren a compensar esta demanda, siendo el uso de biomasa una alternativa importante. (Castro, 2011) En el Distrito Metropolitano de Quito se generan alrededor de 2000 toneladas de residuos sólidos, del cual un 53,2% [email protected] corresponden a una fracción de materia orgánica, que bien pude y es utilizada para la generación de biogás en el relleno sanitario al degradarse; gracias a este se genera energía en dos motogeneradores que alimentan la red del relleno. (EMGIRS, s.f) Debido a la importancia de conocer y aplicar el aprovechamiento de lo que se considera como residuos, se realizó la presente práctica de laboratorio para simular a escala un digestor anaerobio con biomasa proveniente de actividades agrícolas, como es la cría de conejos. (Cervantes, 2007) 2. MARCO TEÓRICO/METODOLOGÍA Biodigestor Un biodigestor es un contenedor cerrado herméticamente que produce gas metano, a partir de la descomposición de restos orgánicos como desperdicios de comida, materia orgánica o estiércol particularmente heces animales (cuyes, conejos) (Medel, 2010). Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ El biodigestor es una tecnología que nos permite recuperar, recolectar y aprovechar en su mayoría toda la energía desprendida de la biomasa para generar productos como el biogás y biol, que serán utilizadas como energía renovable y fertilizantes naturales en la agricultura respectivamente, así como también desde una visión social, económico y ambiental, la recuperación de los residuos orgánicos nos permite tener un enfoque sostenible a largo plazo. (Ferrer, 2016) Materia prima Cada tipo de estiércol produce resultados diferentes, el de cuy o conejo puede dar resultados aceptables ya que el biogás generado contiene más metano, pero al ser este un estiércol duro se necesita preparar antes de su uso un pre-compost para mejorar las características de la humedad (Forget, 2011). El estiércol de animal tiene un gran potencial energético si se trata mediante la tecnología de fermentación anaeróbica (Cuní, 2011). Fermentación anaeróbica y sus etapas La fermentación anaeróbica ocurre en ausencia de oxígeno al interior del biodigestor, proceso en el cual se transforma la materia orgánica en metano con la ayuda de bacterias anaeróbicas metanogénicas, dejando como resultado final un gas combustible o biogás además de un efluente rico en nutrientes (Chungandro & Manotio, 2010). El proceso de fermentación anaeróbica consta de tres fases: fase hidrolítica: las bacterias rompen las cadenas largas de la materia orgánica en otras más cortas y a través de la fermentación las convierten en ácidos orgánicos solubles, fase de acidificación: las bacterias acetogénicas metabolizan alcoholes, ácidos grasos volátiles en acetatos, dióxido de carbono e hidrógeno, fase de metanización: las bacterias metanogénicas convierten los compuestos formados en las etapas anteriores en metano, dióxido de carbono y amoniaco (Olaya, 2009) (Forget, 2011). Factores que influyen en la fermentación anaeróbica Para asegurar el ciclo biológico de las bacterias durante la puesta en marcha del biodigestor se deben controlas ciertos factores, entre los más importantes se encuentran: nutrientes disponibles (relación C/N de 30/1 y relación C/P de 150/1), temperatura (30 – 40 °C), pH (entre 7 y 7.6), mezcla (agitación constante), tiempo de retención (depende de la temperatura, agitación), presión constante (Olaya, 2009) (Chungandro & Manotio, 2010) (Ramon, Romero, & Simanca, 2010). entre los 30 y 35ºC. A temperaturas inferiores, si se produce biogás, pero el tiempo de producción es mucho más largo. Por debajo de los 5ºC, las bacterias no poseen ninguna actividad, y por lo tanto no hay producción de biogás (Martí, 2008). Cantidad de materia orgánica disponible. La materia prima para este proceso es estiércol fresco. Es posible utilizar otro tipo de residuos, siempre y cuando estos sean de fácil degradación y de rápida descomposición. No se pueden utilizar elementos de cáscara dura u otros como vísceras de animales, debido a que no cumplen con las características mencionadas anteriormente (Martí, 2008). Carga de mezcla. Se mezclará la materia orgánica disponible con agua, en una relación 1:4 (Martí, 2008), dependiendo del volumen disponible para el biodigestor. Una buena dilución de la mezcla asegura que el reactor sea de flujo continuo, y es necesario que se encuentre en constante mezcla. Volumen del biodigestor. Es necesario tomar en cuenta que el biodigestor ha de albergar en su interior una parte líquida y una parte gaseosa. Normalmente la fase líquida ocupa un 75% del tamaño del biodigestor, con lo que se deja un 25% para la fase gaseosa. Así, el volumen gaseoso corresponderá a un tercio del volumen líquido (Martí, 2008). Producción de biogás. La producción de biogás no es constante y es un proceso que dura aproximadamente el tiempo de retención al que está sometido el sistema, de acuerdo con la temperatura a la que está expuesto. Uno de los parámetros que permite estimar la producción de biogás en un biodigestor es la cantidad de metano generado en la unidad de tiempo. Esta producción de metano se puede estimar con la expresión (Sogari, 2003): Donde: VCH4 es el volumen de metano generado, V Reactor es el volumen de materia dispuesta en el fermentador y, t es el tiempo considerado Pero la cantidad de producción de metano no es ilimitada, sino que es dependiente de la naturaleza de materia orgánica introducida dentro del reactor, y se puede estimar mediante (Sogari, 2003): METODOLOGÍA Uno de los parámetros de diseño más importantes para un biodigestor es la temperatura, dado que ésta determina la actividad con la que las bacterias digerirán el estiércol, y a esto se suma el tiempo en que se tardarán en hacerlo. Esto quiere decir que mientras haya menor temperatura, menor actividad bacteriana existirá y el tiempo de retención aumentará. El rango óptimo de temperatura para la degradación de la materia orgánica por actividad de bacterias metanogénicas está Donde: VCH4 es el volumen de metano generado y, S org total es la cantidad de materia orgánica total utilizada en todo el proceso. Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ Factores aplicados al diseño del biodigestor. Para la construcción del biodigestor se ha utilizado una mezcla de estiércol fresco de cuyes y conejos, con un contenido de humedad del 60%, más agua. Se ha tomado un recipiente de 5 galones para ser utilizado como reactor, con lo que se ha establecido que el volumen de la fase líquida será equivalente a 14 litros (tomando en cuenta el 75% del volumen del recipiente). Se ha utilizado la expresión: 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 %𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 + 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 Y se ha tomado el 10% de contenido de sólidos, y los 14L como el conjunto masa sólidos + masa agua. La masa de heces a utilizar corresponde a 14 kg, asumiendo que la fase acuosa en conjunto tiene una densidad de 1 kg/m3. Los materiales que se ocuparon para el ensamblaje del biodigestor fueron: Agitador de 50 cm Agua destilada. Bushing. Caneca plástica de 5 Galones. Cubeta grande. Estiércol de conejo. Funda de drenaje de orina. Guantes. Jarra. Manguera de media pulgada, 50 cm. Manómetro. Neplos de 1/2 pulgada. Pasa pared de 1/2 pulgada. Pistola para silicona. Probeta de 1Lt. Silicona. T de 1/2 pulgada. Teflón. Termómetro. Tubo PVC 1/2 pulgada roscado, 40 cm. Válvula de bola de media pulgada. El medio para la fermentación será únicamente las excretas de conejo con agua destilada, ya que las heces cuentan con las bacterias necesarias para que la digestión ocurra. En primer lugar, en base a la capacidad de la caneca se deben realizar los respectivos cálculos para obtener la proporción entre el agua destilada (90%) y las excretas (10%), posteriormente se debe mezclar en un balde las heces con el agua y deshacerlas. La caneca debe ser bien lavada con agua destilada caliente para eliminar residuos, y adaptar la entrada para que calce con el pasa pared y la válvula de presión; el teflón debe ser colocado correctamente para evitar que haya fugas del material líquido y de gases, una vez adaptado el sistema, se mide la temperatura del medio y se trasvasa el contenido del balde con ayuda de una jarra, y se lo cierra de forma hermética. (FAO, 2011) El biodigestor se debe almacenar en un ambiente cálido que colabore con el desarrollo de los microrganismos y su consumo de materia orgánica para la fermentación. Debido a que no se cuenta con un mezclador automático se deberá realizar una mezcla manual y liberación de gases al menos una vez por día, controlando los valores del manómetro. (García y Rodriguez, 2017) Caracterización del biogás Una vez que la caneca presente hinchazón se procederá a la extracción de una muestra en recipientes especiales usados para la cromatografía de gases, llamado “Tedlar Bag” con capacidad de un litro, que posee una válvula para liberar el gas con una entrada que se conecta al equipo en cuestión. (Pérez, G) El gas carrier utilizado para la cromatografía del biogás es el helio; una vez que se tenga la muestra, se lo lleva al cromatógrafo y se lo conecta con la entrada de la bolsa Tedlar, y se presiona fuertemente y de forma constante de manera que se evidencie el flujo con el agua burbujeante anexo a la línea de entrada. . (Pérez, G) Al iniciarse la corrida no se debe considerar en el análisis el primer pico, ya que corresponde al Helio, en adelante, se seguirán dibujando en pantalla los diferentes compuestos s caracterizar, en base a los estándares previamente establecidos en el equipo por el técnico a cargo del laboratorio. Una vez establecidas las áreas de los compuestos detectados, se procede al tratamiento de datos, ya que el porcentaje obtenido del software del equipo, corresponden a valores % p/p y deben ser transformados a concentraciones en fracción molar. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El parámetro de partida para determinar las cantidades a mesurar para el reactor biológico es el del volumen de la caneca, Vc que es de 5 galones, y asumiendo una densidad del 𝑔 agua con la biomasa es de 1 3 , se realizan los respectivos 𝑐𝑚 cálculos. Se determina el volumen en litros para mesurar con la probeta: 𝑉𝑐 = 5𝑔𝑎𝑙 3,748 𝐿𝑡 1000𝑐𝑚3 = 14𝑙𝑡 = 14000𝑐𝑚3 1 𝑔𝑎𝑙 1𝐿𝑡 La masa de la caneca es: 𝑀𝑐 = 14000𝑐𝑚3 1𝑔 = 14000𝑔 𝑐𝑚3 La masa de agua es: 𝑀𝑎 = 14000 − 1400 = 12600𝑔 Para conocer la cantidad de excretas a pesar con un 10% de biomasa: %𝐵𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 = 10% = 𝑚 𝑒𝑠𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 ∗ 100 𝑀𝑐𝑎𝑛𝑒𝑐𝑎 𝑚 𝑒𝑠𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 ∗ 100 14000𝑔 Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ Es decir, se colocan 1,4 kg de excretas en 12, 6 Kg de agua destilada. De los reportes de cromatografía se obtiene que el contenido de metano; siendo este el componente del que se puede obtener energía, es muy bajo en comparación a los valores de nitrógeno y dióxido de carbono, siendo este último el más abundante. Se midieron los valores de temperatura y pH con termómetro y turas de pH respectivamente, precio a ingresarlo en la caneca. De igual forma, en el reporte de la inyección del blanco se evidencia la presencia de etano. En la cromatografía de la muestra inyectada este compuesto no está presente. Los parámetros de diseño que se tienen se resumen en la Tabla 1. Los resultados indican que la muestra no es aprovechable con fines energéticos. 𝑚 𝑒𝑠𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 = 1400 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 = 1,4 𝐾𝑔 PARÁMETROS Temperatura 23° Volumen Caneca 14 L % de Biomasa 10% Masa de la excreta 1,4 Kg pH 7-8 Tabla 1. Parámetros de Diseño Una vez que el biorreactor se encuentra ensamblado y que las bacterias empiecen a proliferar y a alimentarse, la caneca deberá expandirse, y se debe aliviar la presión periódicamente, además se lo debe agitar y mantener la mezcla para las posteriores mediciones sobre el estado del gas generado. (García y Rodríguez, 2017) Posterior a tres semanas desde el ensamblaje del biodigestor, se procedió a la toma de muestra del gas generado, las cuales se caracterizaron en el cromatógrafo de gases, de donde se han obtenido los siguientes resultados: Tabla 2. Datos obtenidos de la inyección del blanco al cromatógrafo 4. CONCLUSIONES Para que un biorreactor realice una digestión anaerobia es necesario considerar las condiciones físicas y químicas en las que se va realizar el cultivo de las bacterias anaerobias para que están proliferen y se obtenga el mayor beneficio posible, como el caso del pH que debe tener valores neutros y la temperatura debe estar entre 20 y 60 grados centígrados que son el óptimo para bacterias mesófilas. (Gonzabay y Suárez, 2016) Al ser un digestor a escala, de pequeñas dimensiones, fue difícil conseguir una muestra contundente, por lo que las lecturas no reflejaron valores de metano, y las corridas mostraron porcentajes de las diferentes sustancias poco precisas. El proceso de fermentación anaeróbica en líneas generales es lento, se necesita de varias semanas hasta un par de meses para que las bacterias se estabilicen y la producción de biogás sea suficiente como para abastecer a un hogar. Esto se puede comprobar con los resultados obtenidos, en nuestro caso la cantidad de biogás fue muy baja como para que sea eficiente el uso de este sistema en una casa familiar (Flotats, et al., 2001). Al ser el helio el gas portador o carrier, al inicio de la lectura del cromatógrafo se va a tener un primer pico, al que no se debe considerar en los subsiguientes análisis de caracterización del biogás ya que éste no forma parte de la muestra, sino que es el medio de arrastre de la misma por toda la columna (Pérez, 2019). Tabla 3. Primera inyección de la muestra al cromatógrafo. Tabla 4. Segunda inyección de la muestra al cromatógrafo. En el diseño del biodigestor se concluye que este sistema es muy económico, y replicable bajo condiciones controladas que verifiquen el buen funcionamiento del biodigestor, con lo que esta tecnología de generación de energía por medio del biogás, puede llegar a emplearse en los diferentes sectores industriales con una ganancia tanto económicamente como ambientalmente. 5. RECOMENDACIONES Tabla 4. Contenido en moles de los componentes hallados en la muestra. Se recomienda realizar el diseño considerando el volumen de biogás necesario para poder realizar una buena caracterización de la muestra. Es recomendable que el biodigestor se mantenga en un lugar donde la temperatura sea estable y caliente para aumentar el Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ proceso de digestión anaerobia y reducir el tiempo de espera de producción de metanol, ya que al someter a bajas temperaturas la degradación será muy lenta y gradual, he incluso que no se produzca, esto conjunto a la agitación del recipiente por lo menos una vez al día para homogenizar la mezcla y que las bacterias interactúen con toda la materia orgánica en degradación, esto se realiza con el fin de mejorar su eficiencia. Cuní, B. C. (2011). Metodología para determinar los parámetrosde diseño y construcción de biodigestores para el sector cooperativo y campesino. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 37 - 41. Colocar un mecanismo de agitación dentro del biorreactor, y contemplar este mecanismo al momento de seleccionar el material del reactor, con el fin de evitar puntos muertos de actividad bacteriana en el mismo. Flotats, Campos, Palatsi, & Bonmatí. (2001). Digestión anaerobia de purines de cerdo y co-digestión con residuos de la industria alimentaria. Obtenido de https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/6699/porc i%202001%20final.pdf Es necesario la instalación de un manómetro que nos ayude en la medición de presión dentro del biorreactor, para vigilar la producción de biogás y evitar errores en lecturas. La presencia de hinchazón en la caneca utilizada podía ser analizada de una manera más práctica con las lecturas del manómetro, y descartar que se trate solo de una deformación del recipiente y no atribuir a la sobreproducción de metano. 6. EJEMPLO DE CÁLCULO. %𝐴𝑖 27.17 %𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 = ∗ 100 = ∗ 100 = 27.52% ∑ 𝐴𝑖 98.73 %𝑚𝑜𝑙 = 𝑃𝑀 ∗ %𝑃𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 = 28 ∗ 27.52/100 = 7.71% %𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 = %𝑚𝑜𝑙 7.71 ∗ 100 = ∗ 100 = 19.68% ∑ %𝑚𝑜𝑙 39.15 7. REFERENCIAS Albavera, F. S. (2007). América Latina y la búsqueda de un nuevo orden energético mundial. NUEVA SOCIEDAD, 13. Castro, M., (2011) Hacia una matriz energética diversificada en Ecuador. 16-51. Obtenido de: http://biblioteca.olade.org/opactmpl/Documentos/cg00344.pdf Cervantes, F. (2007) Estrategias para el aprovechamiento de desechos porcinos en la agricultura. 1-11. Obtenido de: https://www.researchgate.net/publication/22879095 5_Estrategias_para_el_aprovechamiento_de_desech os_porcinos_en_la_agricultura (2008). Biodigestores familiares. Guía de diseño y manual de instalación. Biodigestores de polietileno tubular de bajo costo para trópico, valle y altiplano Chungandro, K., & Manotio, G. (Febrero de 2010). Diseño y construcción de un biodigestor para pequeñas y medianas granjas. Obtenido de https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1650/1 /CD-2734.pdf EMGIRS, (s.f.) Caracterización de residuos sólidos urbanos https://www.emgirs.gob.ec/index.php/zenkit/visitasal-relleno-sanitario-2 Forget, A. (16 de Junio de 2011). Manual de diseño y de difusión de biodigestores familiares, con enfoque en biodigestores tubulares. Obtenido de http://www.astridforget.com/wpcontent/uploads/2015/01/Manual-t%C3%A9cnicoy-difusi%C3%B3n-AF-biodigestores-VF110617.pdf García, A., Rodriguez, D. Diseño y construcción de un biodigestor para la producción de biogás a partir de heces caninas. 8-45. Obtenido de: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/6 949/1/DavidAlexanderRodriguezPach%C3%B3n20 17.pdf Gonzabay, A., Suárez, P. (2016) Diseño y construcción de un biodigestor anaeróbico vertical semicontinuo para la obtención de metano y biol a partir de las cáscaras de naranja y mango. 11-59. Obtenido de: https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/1339 2/1/UPS-GT001762.pdf Medel, J. A. (2010). Estudio y diseño de un biodigestor para aplicación en pequeños ganaderos y lecheros. Santiago de Chile. Olaya, Y. (Julio de 2009). Fundamentos para el diseño de biodigestores. Obtenido de http://bdigital.unal.edu.co/7967/4/luisoctaviogonzale zsalcedo.20121.pdf Sogari, N. (2003). Cálculo de la producción de metano generado por distintos restos orgánicos. Universidad Nacional Del Nordeste, Argentina. Ramon, J., Romero, L., & Simanca, J. (2010). Diseño de un biodigestor de canecas en serie para obtener gas metano y fertilizantes a partir de la fermentación de excrementos de cerdo. REVISTA AMBIENTAL AGUA AIRE Y SUELO, 15 - 23 Pérez, G. (2019) Apuntes guías para el manejo de datos. Y cromatografía. Diseño de un biodigestor anaerobio para la obtención y caracterización del Biogás _________________________________________________________________________________________________________________________ 8. ANEXOS Gráfico 1. Reporte de cromatografía - blanco. Gráfico 3. Reporte de cromatografía – inyección 2. Gráfico 2. Reporte de cromatografía – inyección 1.
