Artículo de revisión

Análisis de biomasas obtenidas en el sector rural, municipio de Sibaté – Cundinamarca*

Prieto Sanabria, Diana María; Fajardo Pinilla, Juan Manuel

Diana María Prieto Sanabria

diana.prieto@uniminuto.edu

Corporación Universitaria Minuto de Dios -UNIMINUTO Colombia

Juan Manuel Fajardo Pinilla

jmfajardo@uniminuto.edu

Corporación Universitaria Minuto de Dios -UNIMINUTO Colombia

Revista Perspectivas

Corporación Universitaria Minuto de Dios, Colombia

ISSN: 2145-6321

ISSN-e: 2619-1687

Periodicidad: Trimestral

vol. 2, núm. 6, 2017

perspectivas@uniminuto.edu

Recepción: 16 Febrero 2017

Aprobación: 16 Marzo 2017

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/638/63830256383025001/

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: Actualmente, el destinar de forma correcta nuestros residuos es un proceso de concien- ciación que involucra el proceso de selección y buena disposición de los residuos sólidos. En ese sentido, este artículo plantea el aprovechamiento de residuos orgánicos, desechos habituales de una finca o de la cocina de nuestros hogares -cáscaras de platano, hollejos de papa, cáscaras de huevo, entre otros desechos-. Para esto, se cuenta con biodigestores elaborados de manera empirica, que incrementan el espacio destinado para su instalación y funcionamiento. Esta propuesta presenta prototipos de biodigestores a una escala menor -de 50 a 1000 litros-, que emplean elementos encontrados habitualmente en la finca o en casa, dando aprovechamiento al reciclaje. En el ensamble de esos biodigestores, con el objetiv de hacer construcción de estos equipos con materiales recuperados, se pretende realizar biodigestores a bajos costos, implementar estrategias que permitan funcionar un prototipo con estas caracteristicas y generar combustibles y energias renovables.

En las zonas rurales, la implementación de bio- digestores es una de las estrategias por medio de la cual las energías renovables contribuyen al desarrollo diario de actividades como optimizar los residuos sólidos generados diariamente en las fincas y hogares. El impacto generado en la comunidad se relaciona con la conservación del ambiente, las mejoras en el factor de cambio cli- mático y las condiciones de vida de la población rural para fomentar el aprovechamiento de los recursos naturales a nivel general. Se reportan los datos obtenidos en la parte experimental, como complemento del trabajo llevado a cabo hasta la fecha.

Palabras clave: Biodigestores, abono orgánico, biomasa, biocombustibles, biogás, lixiviado.

Abstract: The correct allocation of our waste is a process of awareness that involves processes of selection and good disposal of solid waste. In this sense, this article proposes the use of organic waste (common waste) from farms or our houses’ kitchens - banana skins, potato skins, eggshells, among others-. For this reason, biodigesters elaborated in an empirical way, which increase the space destined for installation and oper- ation are available. This proposal presents prototypes of biodigesters on a smaller scale -from 50 to 1000 liters-, which use elements usually found on the farm or at home, making use of recycling methods. The assembly of biodigesters was with the purpose of building this equipment with recovered materials. Ad- ditionally, planning to make biodigesters at low costs and implement strategies that allow operating with a prototype with these characteristics and produce fuels and renewable energies.

The implementation of biodigesters in rural areas is one of the strategies by which renewable energies contribute to the daily development of activities such as optimizing the solid waste produced daily in farms and houses. The impact generated in the community is related to the conservation of the environ- ment, improvements in the climate change factor and the living conditions of the rural population to encourage the use of natural resources at a general level. The data obtained in the experimental part is reported, as a complement to the work carried out to date.

Keywords: Biodigesters, organic fertilizer, biomass, biofuels, biogas, leachate.

Resumo: Atualmente, o destinar de forma correta nossos resíduos é um processo de conscientização que envolve o processo de seleção e boa disposição dos resíduos sólidos. Nesse sentido, este artigo propõe o aprovei- tamento de resíduos orgânicos, resíduos habituais de uma fazenda ou da cozinha de nossos lares –cascas de banana, pele de batata, cascas de ovo, entre outros resíduos–. Para isto, se conta com bio digestores elaborados de maneira empírica, que incrementam o espaço destinado para sua instalação e funciona- mento. Esta proposta apresenta protótipos de biodigestores a uma escala menor –de 50 a 1000 litros–, que empregam elementos encontrados habitualmente na fazenda ou em casa, dando aproveitamento ao reci- clajem. No monte desses biodigestores, com o objetivo de fazer construção destas equipes com materiais recuperados, pretende-se realizar biodigestores a baixos custos, implementar estratégias que permitam funcionar um protótipo com estas características e gerar combustíveis e energias renováveis.

Nas zonas rurais, a implementação de biodigestores é uma das estratégias por médio das quais as ener- gias renováveis contribuem ao desenvolvimento diário de atividades como otimizar os resíduos sólidos gerados diariamente nas fincas e lares. O impacto gerado na comunidade relaciona-se com a conservação do ambiente, as melhoras no fator de mudança climática e as condições de vida da população rural para fomentar o aproveitamento dos recursos naturais a nível geral. Reportam-se os dados obtidos na parte experimental, como complemento do trabalho levado a cabo até a data.

Palavras-chave: Biodigestores, adubo orgânico, biomasa, biocombustibles, biogás, lixiviado.

INTRODUCCIÓN

Un digestor de desechos orgánicos o biodi- gestor es un contenedor cerrado, hermético e impermeable, llamado reactor, que contiene como mínimo dos tubos, uno de entrada y otro de salida, los cuales facilitan tanto el cargue como el descargue de la biomasa, dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar –excrementos de animales y humanos, desechos vegetales, en general diversas biomasas en las cuales la relación carbono – nitrógeno, sea del orden 30(20)-1; de acuerdo con la literatura reportada sobre el tema no se incluyen cítricos, ya que acidifican, etcétera– en determinada dilución de agua por lo general 2:1, para que se descomponga; a su vez, tendrá también un tubo para la salida de gases que se generen durante el proceso, el cual permite su conducción al recipiente donde se va a quemar para suministrar energía calórica –siendo uno de los diferentes usos que se le puede dar al gas metano generado–, como beneficio del proceso y un subproducto que es un mejorador de suelos excelente, dado que es rico en nitrógeno, fósforo y potasio.

Figura 1. Biodigestor a escala menor, capacidad 50 litros

Fuente: fotografía tomada por el autor.

El fenómeno de biodigestióon ocurre porque en las biomasas utilizadas hay presente un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos –bacterias metanogénicas–, especialmente en el material fecal, que al actuar sobre los de- sechos orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de gases con alto con- tenido de metano –CH4– llamado biogás, sumamente eficiente si se emplea como com- bustible. Como resultado de este proceso, se generan residuos con un alto grado de con- centración de nutrientes y materia orgánica conocido como biol –ideal como fertilizan- te– que puede ser aplicado fresco, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y evita la proliferación de moscas. No obstante, se deben controlar ciertas condicio- nes como el pH, la presión, la temperatura y tipo de biomasa, a fin de que se pueda obtener un óptimo rendimiento.

Así pues, el biodigestor es un sistema fácil de implementar con materiales económicos. Es conveniente introducirlo en comunidades rurales aisladas y de países en desarrollo para obtener el doble beneficio de solventar la pro- blemática energética-ambiental, así como de realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales.

En la búsqueda de antecedentes acerca de la construcción y aplicación de un biodigestor, se encontraron diferentes proyectos simi- lares al que se desarrolla en este momento. Bonet (2007) diseñó un biodigestor de 50 litros y otro de 16 000 litros en las explota- ciones agrícolas ganaderas partiendo de la recuperación y el aprovechamiento de los residuos que se generaban en su finca. Reali- zó diversas experiencias con varios modelos que creó íntegramente para este fin. Se toma como antecedente, refiriéndonos exacta- mente a este proyecto, el último plano del diseño del biodigestor de 16 000 litros, utili- zado por el autor en la segunda experiencia, partiendo también de los planos de diseño del biodigestor de 50 litros, todo esto con el fin ya planteado en el proyecto –construcción de un biodigestor a escala–. Igualmente, se tienen en cuenta las medidas de seguridad y protección del biodigestor que Bonet utilizó con resulta- dos exitosos, como por ejemplo la utilización de hormigón armado y la aplicación de una capa impermeable de pintura para sellar paredes y evitar fugas, la utilizacion de una lona como tapa para la cubierta del biodigestor que genera presión para que se asegure la ausencia de oxígeno en el dispositivo.

Con el conocimiento del proyecto mencionado anteriormente, se encontró una nueva infor- mación respecto a otro tipo de combustible obtenido a partir del biodigestor, que es el al- cohol etílico –fermentación aeróbica–, algo que a pesar de que no se toma en cuenta para este proyecto, sirve de gran ayuda para cuando el prototipo esté totalmente construido y sea fun- cional, dejándolo como sugerencia a quienes continúen en el desarrollo de este proyecto.

En la experiencia del proyecto biodiges- tor SepAde, dirigido por Ríos (2007), éste fue utilizado para diferentes fines como:

• El tratamiento de residuos de lechería.

• Energía alternativa para sustituir la que utilizaban en el sistema interconectado.

• La iluminación de salas de clase y diferentes salones específicos –gimnasio, cafeterías, oficinas–.

• Uso de la energía renovable en espacios productivos

Estos fines brindaron una idea acerca de la posi- bilidad del uso productivo y óptimo del metano que se obtiene del proceso de tratamiento del biodigestor, ya que es considerado una planta de energía eléctrica convencional y alterna. Cuando incorporamos esta experiencia en el proyecto de investigación, resaltamos la elaboración del prototipo y realizamos una incorporación de materiales existentes en las fincas para hacer el prototipo a bajo costo.

A partir de un vídeo realizado por Villanueva Silva (2008), se tomó como base el tratamien- to previo de la materia orgánica, ya que allí se muestra que, al humedecer la materia orgánica, el proceso de descomposición y posterior pro- ducción de gas es más efectivo.

El grupo de Investigación de Energías Reno- vables –GIdeR– de la Facultad de ingeniería de la Universidad Nacional del Nordeste (2006), desarrolló un proyecto relacionado con la utilización de residuos para la producción de biogás. De este proyecto se tomaron como antecedentes las recomendaciones que este grupo está dando para el funcionamiento óptimo del biodigestor; condiciones dejadas por ellos mismos como sugerencias para quienes continuarán el proyecto. En éstas se menciona que, en cuanto a condiciones de temperatura, esta debe ser de más o menos 36ºC –digestión mesófila–.

El proyecto tiene como base para su desarrollo los siguientes parámetros:

• Generación de energías alternativas, empleando residuos sólidos orgánicos –RSO– generados en la finca o en la casa.

• Disminución del impacto ambiental por la generación de RSO, los cuales van a los botaderos sin ningún proceso, incremen- tando la contaminación ambiental.

• Contribución al desarrollo de zonas rurales con baja cobertura de energía eléctrica y aprovechamiento productivo de los RSO.

• Disminución del impacto ambiental por la generación de gases efecto invernadero.

Como se expone más adelante, se pretende disminuir el tamaño de los biodigestores y su masificación en zonas rurales como fuente al- ternativa de energías no convencionales.

También se requiere ofrecer una solución a la contaminación ambiental producida por los RSO, generando una cultura de reciclaje produc- tivo y un aprovechamiento benéfico de éstos, dado que durante la biodigestión el proceso de fermentación anaeróbica que produce el biogás, produce también una mezcla residual que es un rico fertilizante orgánico de mayor calidad y contenido de nitrógeno que el estiércol fresco y que puede ser utilizado para formar un compost con residuos vegetales o ser distribuido sobre los campos como fertilizante de considerable valor.

El biogás y el abono residual de la operación se han convertido en una fuente ideal de energía limpia para las naciones con poblaciones rurales numerosas sin medios económicos y prácticos para disponer de energía convencio- nal. Es así como ha tomado un gran impulso sobre todo en Asia, en países como China y la India, donde ya hay cerca de 500 000 plantas del tipo familiar instaladas y funcionando en pleno (Nitsch & Rettich, 1993 como se cita en Club de Ensayos, 2014). Otro de los insumos que puede aprovecharse de manera significati- va es el líquido residual –lixiviado–, con el cual se está experimentando para ser empleado como agente plaguicida para los cultivos. De igual forma, se pretende contribuir al es- tablecimiento de políticas ambientales por parte del Gobierno, al menos del local, dado el impacto que se espera que el proyecto genere a través de su desarrollo.

En cuanto al aspecto económico, el aprove- chamiento de los RSO puede llegar a ser una fuente de ahorro, ya que, al suplir las necesi- dades de energía calórica o lumínica en algún grado, contribuye a mejorar la economía ca- sera, y, por último, al disminuir la generación de RSO, el medio ambiente se ve favorecido y los rellenos sanitarios recibirán menor carga orgánica.

ENSAMBLE DE BIODIGESTOR

La propuesta planteada es un prototipo en- samblado con elementos reutilizables, tales como canecas plásticas, botellas de agua de 50 a 100 litros, galones de plástico e isotanques con capacidad de 1000 litros, lo cual es parte del primer prototipo para seguimiento de los diferentes componentes orgánicos que se van a descomponer dentro del biodigestor.

El prototipo inicial cuenta con las siguientes piezas:

• Dos tanques de agua de 5 a 1000 litros.

• Tubería para gas propano –incluye llaves, empaques y ensamble de los mismos–.

• Un mechero u hornilla.

El ensamble del biodigestor en campo se propone de la siguiente forma: tomamos un tanque plástico, al cual se le practican tres orificios. En estos orificios se ubicarán los tubos que servirán para diferentes funciones, uno de ellos permite el cargue de la biomasa y se encuentra ubicado en la parte superior del tanque, el otro sirve para la colocación del manómetro, puede ir en la parte superior o lateral del tanque y el tercer orificio prestará las funciones de descargue de lixiviados y retiro del material sólido transformado en abono y se debe colocar en la parte lateral inferior del tanque. Una vez ubicada la tubería correspondiente, se efectúa una prueba de sellado con aire a presión, la cual se sostiene durante dos días, tiempo en cual los sellantes empleados para la fijación de los tubos cumplirán o no con su función y si la prueba es positiva el prototipo puede ser cargado.

El prototipo empleado en el ensayo es un bio- digestor de flujo discontinuo, el cual se carga una vez y queda cerrado por un tiempo fijo de retención hasta que haya terminado el proceso de fermentación y no haya producción de gas. En esas plantas, al comienzo hay mucha masa orgánica y pocas bacterias y, al final, hay muchas bacterias y poca masa orgánica. La operación involucra principalmente cargar un biodigestor que permanecerá cerrado con sustrato, un inoculante y, en algunos casos, una base para mantener el pH casi neutral. El digestor es sellado y la fermentación se realiza entre treinta y ciento ochenta días, dependien- do de la temperatura ambiente. Durante este período, la producción de gas aumenta paula- tinamente hasta un máximo y luego declina. Esta fermentación se puede realizar con un contenido de sólidos orgánicos de 6 a 10%.

ORIGEN DE RESIDUOS PARA CARGA DEL BIODIGESTOR

Es de anotar la importancia del origen y la recolección de los residuos con los que se efectúa la carga del biodigestor, ya que si estos contienen contaminantes –ej., residuos de mercurio, metales pesados, aceites o grasas–, van a inferir en la generación de biogás y los resultados de pueden ser pobres o nulos.

Los residuos deben estar libres de sólidos y otros materiales como arena, rocas y piedras, pues la aglutinación de sólidos bloquea las tuberías del biodigestor y obstaculiza la operación. Es recomendable la instalación de un sedimentador antes del ingreso de la materia prima.

Otors materiales como residuos medicinales –antibióticos–, detergentes, ácidos o materia- les ácidos –cáscaras de cítricos– y sustancias halógenas pueden ser nocivas para la acción de las bacterias anaerobias, aunque estos ma- teriales no han sido problema en biodigestores a gran escala, no se han determinado límites para estos componentes, por lo que se debe evitar que este tipo de sustancias se añadan a los residuos con que se carga el biodigestor.

CANTIDAD DE CARGA

En cuanto a la cantidad de carga para biodigestor, la relación empleada es de 1 :3- sólido- liquido-. En ningún caso el contenido de los sólidos en la carga debe ser inferior al 10% lo cual nos permite un proceso adecuado de generación de gas, además, la relación Carbono- Nitrógeno, en la mezcla de sólidos que se dosifiquen al biodigestor, debe ser de por lo menos 20: 1- 30: 1 es la ideal-.

Si bien la digestión anaeróbica es un proceso complejo y largo, el cual puede ajustarse a pequeños cambios, los cambios drásticos de materia prima deben evitarse; asimismo, hay que tener cuidado en realizar la mezcla con las cantidades de agua recomendadas.

TEMPERATURA

La temperatura es uno de los principales factores que afectan el crecimiento de las bacterias responsables de la producción de biogás. La producción de biogás puede ocurrir en cualquier sitio que se encuentre en el rango de temperatura de 4ºC a 68ºC. A medida que la temperatura aumenta, la tasa de producción de gas también se incrementa y por ende, disminuye el tiempo de retención de la materia orgánica dentro del digestor.

Teniendo en cuenta que la producción de gases puede producirse en tres zonas de temperatura para el funcionamiento de los microorganis- mos: de 5°C – 20°C, digestión psicrófila; de 20°C - 40°C, digestión mesófila y de 40°C - 70°C, digestión termófila (Bueno, J. L. et al, 1997). En algunos casos se hace necesario implementar un sistema de calor para mejorar el rendimiento del proceso.

RESULTADOS

Para el desarrollo de este proyecto se elaboró un prototipo de 1000 litros de capacidad de carga, el cual se ubicó en una finca cercana al municipio de Sibaté.

Figura 2. Proceso de cargue con Biomasa

Fuente: fotografía tomada por el autor.

La carga dosificada está constituida por material vegetal –biomasa vegetal– y estiércol de cerdo, distribuida así: 100 kilos de estiércol de cerdo y 200 kilos de biomasa vegetal, y 400 litros de agua, aportando esta mezcla un 11,3% de solidos totales.

La temperatura es otra variable que debe ser controlada, para ello en el momento de hacer el montaje del biodigestor en el campo de trabajo fue necesario hacerle un cubrimiento tipo in- vernadero, dado que la temperatura promedio del sitio está alrededor de 8ºC. A partir de estas condiciones del sitio de trabajo, optamos por tomar la temperatura cada 24 horas durante los quince primeros días de efectuada la carga, obteniendo los siguientes datos:

Tabla 1.

REF | FECHA | TEMP oC
1 | 05/09/2015 | 28
2 | 06/09/2015 | 29
3 | 07/09/2015 | 28
4 | 08/09/2015 | 27
5 | 09/09/2015 | 28
6 | 10/09/2015 | 29
7 | 11/09/2015 | 30
8 | 12/09/2015 | 27
9 | 13/09/2015 | 28
10 | 14/09/2015 | 29
11 | 15/09/2015 | 28
12 | 16/09/2015 | 27
13 | 17/09/2015 | 28
14 | 18/09/2015 | 29
15 | 19/09/2015 | 28

elaboración propia.

En razón al promedio de medidas obtenidas, la temperatura se controló cada ocho días sin obtener variaciones significativas. El tiempo de retención obtenido en el ensayo implemen- tado fue de treinta y ocho días, en donde se obtuvo el mayor volumen de gas generado.

El pH de la solución inicial una vez realizada la mezcla de carga inicial fue de 7,9, transcurri- dos diez días de proceso se determinó el pH y el valor obtenido marcó 7,4; una vez se logró el tiempo de retención máximo, se determinó nuevamente el pH obteniendo un valor de 6,7; tal como se reporta en la siguiente tabla:

Tabla 2.

REF | FECHA | pH | DETALLE
1 | 05/09/2015 | 7,9 | Carga inicial
2 | 15/09/2015 | 7,4 | A 10 días
3 | 14/09/2015 | 6,7 | Máxima retención

elaboración propia.

Para efectuar la medición del biogás generado, se armó un sistema de almacenamiento del gas –gasómetro–, mediante campana de plástico y sello de agua –aparato que puede ser usado en docencia e investigación–, y se efectuaron algunas medidas. A continuación se ilustra el montaje efectuado:

Figura 3. Medidor de gas

fotografía tomada por el autor.

El dispositivo consta de un tanque que recolecta el gas generado; a continuación, se encuentra una solución de agua gas –trampa de CO2– que forma parte de la mezcla generada en el biodigestor. Seguidamente, hay un re- cipiente que contiene limaduras de hierro - trampa de ácido sulfhídrico-, y, posteriormente, un recipiente que recolecta el gas ya libre, que nos permite medir el volumen obtenido

La generación de gas puede estar alrededor 11 m3, según las determinaciones efectuadas con el gasómetro construido, sin embargo, este aparato no se calibró, por lo tanto, la cifra que se está reportando corresponde a un estimado numérico.

Por último, el proceso de descargue del bio- digestor resultó un tanto tedioso, en razón a que el material es muy pastoso y en conse- cuencia se torna difícil la remoción del mismo del tanque; además, en el momento de des- tapar el biodigestor, el desprendimiento de olores es intenso, lo cual nos obliga a tomar todas las medidas sanitarias y de seguridad industrial requeridas.

El sólido obtenido, después del vaciado del biodigestor, se pone a secar en forma de capas y sobre cada capa se esparce cal para evitar la presencia de moscas y neutralizar la mezcla; después de tres o cuatro días de secado, se tamiza a un tamaño de partícula uniforme y se empaca en bolsa plástica, para su posterior uso como mejorador de suelos.

CONCLUSIONES

El empleo de estiércol de cerdo mezclado con material vegetal facilita el proceso de bio- digestión y los tiempos de retención están dentro de márgenes adecuados para efectuar este proceso de manera permanente, como apoyo en el empleo de desechos de la finca y la generación de un combustible que permite ser aprovechado en diferentes usos.

El sólido obtenido presenta una buena textura y sin olores desagradables, que, de acuerdo a los datos de la literatura, puede ser empleado como un excelente mejorador de suelos, dada su riqueza en nutrientes.

Con respecto a la generación de energías re- novables, con la incorporación de los desechos caracterizados, se generó la presencia de CO2 después del cargue de la biomasa en ausencia de oxígeno, debido a la gran cantidad de des- perdicio vegetal –desecho post cosecha cultivo de fresa y poda–, se logró la obtención de un compostaje con niveles aceptables –7,4 pH–.

REFERENCIAS

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