Titulo: Diseño y evaluación de un biodigestor para obtener gas metano y

biofertilizante a partir de la fermentación de cachaza y residuos agropecuarios.

Autores: Ing. Orestes Hermida García, M Sc. Lisbet López González.

Centro Universitario Sancti Spiritus.

Resumen:

En el trabajo se presenta el diseño utilizado en la construcción de la planta de

biogás Sancti Spíritus Nro 1 a partir de experiencias del autor y la revisión de

otras tecnologías desarrolladas a nivel internacional y nacional por el ICIDCA,

ICINAZ y CNIC. Fueron condicionantes la demanda de materia orgánica de un

organopónico donde esta instalada la planta, la inversión a realizar y el uso del

biogás obtenido. En la construcción y operación de la planta se toman las

experiencias de otras 10 ubicadas en tres provincias del país: Camaguey, Las

Tunas y Ciego de Ávila. En todos los casos se logró: alta eficiencia de

conversión de la biomasa en energía: superior al 80 %, estabilidad operacional

y flexibilidad en los requerimientos. El índice de producción biogás obtenido, en

m3/tonelada, para la cachaza fue de 120 y de 42 para los residuos de frutos

menores y hortalizas.

Los beneficios reportados han sido, entre otros: a) Se propicia un adecuado

tratamiento a 80 toneladas/año de residuales sólidos de origen agropecuario o

industrial, b)Se obtiene de manera inmediata un abono orgánico de forma

sólida o líquida no teniendo que alargarse la estadía del proceso como en la

lombricultura o compost, c) Se producen 8 000 m3 al año de biogás,

equivalente a: 5 ton/año tep y 590 cilindros al año de acetileno, d) Se suprime

la tala de 15 ha/año de bosques energeticos para leña, por ser este el

combustible utilizado antes de construir la planta en la cocción de alimentos,

e)Se sustrae de la emisión atmosférica más de 5200 m3/año de metano con la

correspondiente reducción del efecto invernadero.

Introducción:

Las proyecciones del uso de la energía global se basan en escenarios que son

construidos alrededor de suposiciones acerca de cuán lejos la economía se

expandirá, cuán rápido crecerá la población mundial, el grado de avance

tecnológico, medidas de conservación, la adopción de tecnologías

energéticamente eficientes, la disponibilidad relativa y precio de los

combustibles fósiles. Estos escenarios sugieren que en el año 2010, los

combustibles fósiles probablemente absorberán las ¾ de la energía comercial

del mundo y el uso de energías renovables jugará un pequeño rol, pero en

ascenso, en los próximos 30 años. Las energías renovables tales como la

eólica, la solar en sus diferentes formas, contribuyen con una cifra inferior al

2% en la provisión global de la energía. Un estudio de la WEC (World Energy

Council) proyecta, si las actuales políticas continúan, que las energías

renovables contribuirán con un 4% a la provisión global de la energía para el

año 2020 ( The World Resources Institute , 1996). Dentro de ellas la BIOMASA

es un recurso renovable cuya utilización presenta características singulares y

beneficios notables. Se trata de una fuente prácticamente inagotable, producida

cíclica y continuamente por los reinos vegetal y animal y los sistemas urbano e

industrial, y existe por lo menos en alguna de sus formas en todos los espacios

geográficos.

El uso de la biomasa aporta beneficios que son no sólo energéticos, sino que

su transformación se convierte en beneficiosa y necesaria para el entorno. Es

un sistema idóneo de eliminación de residuos, con la subsiguiente mejora del

ambiente rural, urbano e industrial. Puede ser además, un modo de equilibrar

determinados excedentes agrícolas. En el sector agropecuario y

específicamente en los organoponicos la opción del uso del biofertilizante

generado por esta tecnología permite responder a una demanda de la

sociedad, de esta forma se es más respetuoso del medio ambiente, y en

particular se promueve la reducción de posibles fuentes de contaminación. En

este contexto el presente trabajo presenta el diseño, evaluación y beneficios

alcanzados en una planta para producir gas metano y fertilizantes a partir de la

fermentación de cachaza y otros residuos agropecuarios de organopónico.

Desarrollo Entre las clasificaciones de los digestores están las plantas de flujo continuo con la

ventaja del suministro regular del material orgánico, por lo cual producen de forma

más estable el biogás, y las de flujo discontinuo o batch para pequeñas

producciones. Estas últimas se dividen en dos tipos ampliamente desarrollados en

la práctica:

Plantas de cúpula móvil, en la cual el gasómetro metálico flota sobre el

material orgánico en fermentación.

Plantas de cúpula fija, en la que el gas se almacena en la parte superior

por el principio de desplazamiento.

Las ventajas de las plantas de cúpula fija para las condiciones cubanas las han

situado como el tipo de biodigestor más propuesto por los ingenieros y

proyectistas nacionales para la solución de los residuales agropecuarios

(Savran 2005), entre ellas están:

Su construcción se realiza con paredes de bloques de hormigón y

cúpula de ladrillos, empleando otros materiales conocidos como cemento,

arena, piedra y acero constructivo, asegurando con ello una alta resistencia y

durabilidad de la obra.

No presenta partes móviles propensas al desgaste, así como tampoco

partes metálicas propensas a la corrosión.

Su tiempo de vida útil se extiende a 20-25 años.

Por otra parte Souza, 1999 propone un biodigestor de polietileno, fácil de

construir y de reparar, acorde a las posibilidades económicas de los pequeños

agricultores y las familias campesinas donde el 92 % de los materiales y

componentes son de producción nacional.

Entre las experiencias más actuales realizadas en el país está la desarrollada

por el ICIDCA [1, 2] basada en una tecnología de producción de biogás, con

reactores del tipo UASB, de origen holandés, con la cual se encuentra

construida una planta, única de su tipo en Cuba, de 3.000 m3 de capacidad

para el tratamiento de las aguas residuales de la Empresa Mielera Heriberto

Duquesne, en Remedios, Villa Clara. Dicha planta producirá 16 000 m3 de

biogás, el cual será utilizado en las calderas de la destilería y contribuirá al

mejoramiento de la calidad de vida de la población aledaña al complejo

industrial.

Las bases para la propuesta de diseño realizada en el presente trabajo están

en la alta capacidad de autorregulación de los reactores UASB, capaces de

asimilar cargas orgánicas variables, así como las construcciones realizadas en

el país a nivel familiar de biodigestores chinos, más baratos y duraderos,

conjuntamente con las experiencias desarrolladas en otras 10 plantas de

biogas, ubicadas en tres provincias: Camaguey, Las Tunas y Ciego de Ávila,

Diseño del digestor. El diseño se realizó atendiendo a las necesidades de materia orgánica que

demandaba anualmente la instalación del organopónico (4 ton/mes). El sistema

empleado es un híbrido, utilizándose como criterios básicos los siguientes:

1. RESIDENCIA HIDRAULICA NO MAYOR DE 30 DÍAS: Se modeló el

volumen total del digestor como un laberinto columnar con Re menor de

1000 y así evitar los cortocircuitos hidraulicos. Se utiliza un prisma

rectangular horizontal, cuyo diámetro hidráulico equivalente (d) sea 0 o

más veces su longitud.

2. La VELOCIDAD DE LA MEZCLA que es alimentada al biodigestor

π24dtVV

C

R= ; donde

Ct : tiempo en que transcurre la carga del digestor. Se fija de acuerdo al

régimen de trabajo de la planta, para régimen continuo es de 24 horas, y

para regimen discontinuo menor de 24 h.

.:.:eequivalenthidraúlicoDiámetrod

tratararesidualdelVolumenVR

debe ser menor que 10 m/h – velocidad crítica de estabilidad del lodo

(Criterio de Stoke)

3. A partir de las restricciones planteadas anteriormente, se obtiene la

relación entre el ancho de la sección transversal (a) y la profundidad del

biodigestor (h):

0002.0=+ah

ha

4. ELEVADA RETENCIÓN DE SÓLIDOS Y % remoción de DQO no menor

del 85 %. Se instalaron 12 difusores por barboteo de gas repartidos por

toda el área del digestor y así atenuar la estratificación de los sólidos

suspendidos y lograr una mayor efusión posible de los lodos.

5. EL REGIMEN DE CARGA ORGANICA, Qc, debe ser menor de 4 kg

DQO/m3/d.

En la construcción de la planta se sustituyó en la ejecución de la cubierta todo

el hormigón, en su lugar se emplea una carpeta de mortero y todo el

acero.Tampoco se coloca el encofrado, ya que se montan tejas de asbesto

cemento.

Partes de la planta de biogas La planta consta de seis partes:

Plato de carga: Consiste en un depósito de 9 m2 de área, donde es vertida la

carga orgánica sólida desde un vial en rampa y presenta una pendiente en su

fondo la cual posibilita la entrada por gravedad hacia el interior del digestor de

la dispersión agua / material orgánico. Tiene capacidad para recibir una carga

desde un transporte por volteo de hasta 30 días de suministro.

Digestor: Consiste en una bóveda soterrada de 35 m3 de volumen total,

seccionado en laberintos, tapa rígida y hermetizado en su parte exterior y

superior mediante un sello de agua el cual es creado por una piscina.

Sistema de bombeo: Consta de tuberías de altas y bajas presiones, las cuales

comunican el interior del digestor con un compresor de caudal 3 m3/h y presión

máxima de 8 atm., movido por un motor de 2 kW de máxima potencia

instalada. Posee un lazo de control automático a través de un presostato, quien

toma la señal de presión del interior del digestor, gobierna la parada y marcha

del sistema. Se utiliza un sistema de protección eléctrica de fases y voltajes.

Sistema de almacenamiento: Consta de una bala estacionaria de 15 m3 de

volumen, con presión máxima de 17 atm.

Redes de consumo: Consta de un comedor con un consumo de 12 a 18 m3/d

situado a 10 metros al cual llega una tubería PVD de 25 mm y presión 1 atm.

También se transporta el gas a dos centros de consumo remotos para

calefacci[on industrial y oxicorte como sustituto de acetileno.

Sistema de tratamiento del efluente: Se basa en un filtro continuo de

granulometría, donde se segregan los sólidos suspendidos del lodo del agua

efluente. El filtro tiene un área de 4,5 m2 y trabaja a opción si se desea realizar

la fertilización en forma líquida o extraer los sólidos para transportarlos, ya que

aledaña a la planta existe un organopónico, consumidor principal del

biofertilizante obtenido.

Algunas características técnicas operativas de la planta son:

Régimen de trabajo: semicontinuo

Eficiencia de conversión: 0.6-1.0 m3 gas/m3 digestor

Régimen de intensidad de carga: 2 a 4 kg stv/m3/día

Al almacenarse el gas comprimido las ventajas son :

• Se insatura la humedad

• Permite transportar el gas a mayor distancia.

• Se amplía el espectro de los usos técnicos, así como su purificación.

Diseño de la planta de metano técnico Parte del biogás producido se transporta a distancia remota en un m[ovil

cisterna con el propósito de elaborar metano técnico, sometiendo el producto a

un proceso de purificación, donde se eleva el contenido de metano a no menos

del 90 % y elevar su poder calórico a 8200 kcal/m3. De esta forma se obtiene

una gas con la calidad adecuada para uso industrial y específicamente como

sustituto del acetileno.

Durante el proceso de purificación el biogas obtenido con una pureza entre 60-

65 % de metano se introduce en una columna de absorción de masa

(Scrubber) utilizando agua a contracorriente con una presión de 10 atmósfera,

la pureza llega hasta 85 %, luego se rectifica con otra columna de lavado

alcalino, empleando lodo residual de carburo de calcio, alcanzándose

finalmente una pureza entre 90 y 95 %.

Resultados obtenidos en el funcionamiento de este tipo de planta: Los rendimientos medios de biogas por tonelada de residual (peso húmedo),

para un tiempo de residencia de 30 días en plantas como la propuesta en el

presente trabajo son mostrados en la tabla 1, valores similares son reportados

por otros autores.

Tabla 1: Rendimiento medio en m3/ton obtenido por el autor para diferentes

sustratos. (Fuente: elaborado por el autor)

Sustrato Biogás

Estiércol vacuno 35

Gallinaza 52

Cachaza 120

Porcino integral 48

Vinaza 32

Desechos de frutos menores y hortalizas 42

Residuos de cervecería 8

Los beneficios reportados hasta el momento son de índole social,

medioambiental y económico, entre ellos están:

1. Se propicia un adecuado tratamiento a 80 toneladas/año de residuales

sólidos de origen agropecuario o industrial.

2. Se obtiene de manera inmediata un abono orgánico de forma sólida o

líquida no teniendo que alargarse la estadía del proceso como en la

lombricultura o compost.

3. Se producen 8 000 m3 al año de biogás, equivalente a: 5 ton/año tep,

590 cilindros al año o 346 m3 /año.

4. Se suprime la tala de 15 ha/año de bosques enero[eticos pues se

empleaba la leña como combustible anteriormente para la cocción de

alimentos.

5. Se sustrae de la emisión atmosférica más de 5200 m3/año de metano

con la correspondiente reducción del efecto invernadero.

6. Se obtiene un beneficio económico de 3.75 USD/m3 biogás, al sustituir

cada cilindro de acetileno industrial.

Conclusiones:

1. Los beneficios reportados por la planta de biogás del organopónico

provincial son de índole económico y medioambiental , resaltando la

producción de 8 000 m3 al año de biogás.

2. La propuesta de diseño realizada permite trabajar con una elevada

retención de sólidos alcanzándose % de remoción de la materia

orgánica no menor del 85 % y una eficiencia de conversión de 0.6-1.0

m3 gas/m3 digestor.

3. El rendimiento medio en m3/ton obtenido para los desechos de frutos

menores y hortalizas es de 42 y 120 para la cachaza.

Bibliografía

Finck, H. 1992. Programa especial de energía de la costa atlántica. p 1-21

Muller, Z.O. 1980. FAO Animal Production and Health Paper. Número 18.

Roma pp 1-35, 137-148

Sosa, Caceres Roberto. Construcción y evaluación de un biodigestor tubular de

polietileno. Tesis de Maestría en Ciencias del Agua. CNIC. DECA. 1999.

Savran, V. Una solución energético – ambiental para reducción de contaminantes agropecuarios, como contribución al manejo integrado de la cuenca Zaza. Tesis presentada en opción al titulo académico de Master en Gestión Ambiental y Protección de los Recursos Naturales. Universidad Camilo Cienfuegos. Matanzas. 2005.