COMPARACIÓN DEL PODER CALORIFICO DEL BIOGÁS GENERADO A PARTIR DE HECES FECALES DE ORIGEN BOVINO Y DE EQUINO EN LA
SEDE BERASTEGUI DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA, COLOMBIA
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Universidad de Córdoba, sede Berastegui se genera una cantidad
significativa de heces fecales proveniente del ganado bovino y equino pastoreado
en dicha sede, residuos que aumentan con el crecimiento poblacional de los
ejemplares existentes en la Universidad.
Partiendo de un diagnostico visual, se observa que el estiércol generado por el
ganado bovino y equino, principalmente tienen como disposición final los terrenos
donde se encuentran ubicados en la sede Berastegui, se podría decir que parte de
estos residuos no están siendo destinados para algún tipo de aprovechamiento. La
disposición inadecuada del estiércol causa impactos ambientales como
generación de gases de efecto invernadero, eutrofización de cuerpos de agua y
sobrecarga de nutrientes en suelos de cultivo ocasionado por excretas de ganado,
depende en gran medida de la especie pecuaria, del sistema de alimentación y del
manejo del estiércol (Pinos, J. et al., 2012).La mayoría de los gases que produce
el estiércol son metano (60 %), dióxido de carbono (39 %), y trazas (0.2 %) de
óxido nitroso (Bekkering et al., 2010). El metano es un biogás que contribuye
significativamente al efecto invernadero.
Teniendo en cuenta que estos residuos no están siendo aprovechados
adecuadamente, se hace necesaria la implementación de una propuesta que
busca obtener biocombustible a partir de las heces fecales de ganado bovino y de
equino, como son especies diferentes se requiere comparar las propiedades
físicas, químicas y biológicas del biogás, para determinar cuál tiene mayor poder
calorífico para ser utilizado en las cafeterías de la Universidad de Córdoba.
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La comparación de biogás generado por las excretas del ganado bovino y equino,
se hace indispensable para poder reciclar y aprovechar estos residuos orgánicos
de manera adecuada, al establecer los usos alternos que se le podría dar de
acuerdo a sus propiedades químicas, biológicas y físicas.
Considerando el contexto anterior, se puede formular el siguiente interrogante,
¿De los dos tipos de biogás a generar cual tiene mayor poder calorífico, teniendo en cuenta el origen de las heces fecales utilizadas para su producción?
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERALComparar el poder calorífico de dos tipos de biogás generados utilizando como
materia prima las heces fecales de origen de ganado bovino y de equino, para
determinar cuál es el más indicado como combustible en las cafeterías de la
Universidad de Córdoba.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Caracterizar las excretas del ganado bovino y equino de la Universidad de
Córdoba, sede Berastegui.
Seleccionar e implementar un biodigestor para la obtención de biogás.
Aplicar los procesos anaeróbicos utilizados para la generación de biogás con
cada una de las heces.
Analizar los resultados de la investigación, dándolas recomendaciones
pertinentes.
3. JUSTIFICACION
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El estiércol generado en los sistemas ganaderos puede provocar impactos
ambientales negativos si no existe un control en el almacenamiento, el transporte
o la aplicación, debido a la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera, y
la acumulación de micro y macro nutrientes en el suelo y en los cuerpos hídricos
superficiales (Pinos, J. et al., 2012). Una forma efectiva de tratar las heces
producidas es la implementación de un proceso de biodigestión biológico de
fermentación natural en el que una comunidad entrelazada de bacterias cooperan
para formar una fermentación estable, autoregulada, la cual se puede dar de dos
formas en presencia de oxígeno (Biodigestión Aerobia) y sin la presencia de
oxígeno (Biodigestión Anaerobia). La biodigestión anaerobia aprovecha la materia
prima, en este caso heces de origen bovino y equino, obteniendo un energético
controlado sin producir desechos contaminantes. El biogás obtenido en este
proceso puede ser usado directamente como combustible para calderas, de
hornos y en refrigeración (López C. y López A., 2009).
La producción de biogás a partir del estiércol tiene como primer propósito
coadyuvar a la reducción de gases que provocan el efecto invernadero del
planeta, pero también es una alternativa que permite obtener energía para cubrir
las necesidades de granjas pecuarias y resolver problemas como la disposición
final de desechos, malos olores, fauna nociva, transmisión de enfermedades y
contaminación de mantos freáticos (Frías Hernández Juan).
Se hace necesario comparar el poder calorífico de biogás generado a partir de
heces fecales de origen bovino y de equino porque son especies diferentes, sus
excretas pueden variar en sus características físicas, químicas y biológicas, estas
son las que le confiere propiedades como el calor calorífico al biocombustible
producido.
La determinación del poder calorífico de los dos tipos de biogás a generar
permitirá establecer cual excreta brinda un mayor beneficio y así darle un uso a
este en las cafeterías de la Universidad de Córdoba. Esto también contribuiría a la
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reducción de los problemas de contaminación atmosférica, mantener un equilibrio
ambiental y mejorar la estructura del suelo.
4. MARCO DE REFERENCIA
4.1 ANTECEDENTES
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El comienzo de la historia del biogás se puede fijar en unos 5.000 años atrás.
Fuentes muy antiguas indican que el uso de desechos y los “recursos renovables”
para el suministro de energía no son conceptos nuevos, pues ya eran conocidos y
utilizados mucho antes del nacimiento de Cristo. Los inicios del biogás se han
fijado en base a hechos históricos que dicen que, alrededor de 3000 años antes
de Cristo, los sumerios ya practicaban la limpieza anaerobia de los residuos
(Deublein y Steinhauser, 2008). También existen datos que están basados en el
relato del viaje de Marco Polo a China (Catai) (1278 -1295) en el libro “Divisament
du monde” (posteriormente conocido como “El Libro de las maravillas del mundo”),
en el que se describen unos tanques cubiertos en donde se almacenaban las
aguas residuales en la antigua China, pero no está claro si capturaban el gas o si
le daban alguna utilidad, en este libro se dice que este hecho, está mencionado en
la literatura china del tercer milenio antes de Cristo. También hay otras fuentes
que citan como primer uso del biogás el calentamiento del agua de los baños
públicos en Asiria, allá por el siglo X a.c.
Mucho más reciente, en el siglo XVI en Persia, hay constancia escrita del uso del
biogás (Brakel, 1980; Lusk, 1998). En tiempos modernos, existe la disputa entre
dos ciudades para determinar quién ostenta el honor de poseer el primer digestor
anaerobio para biogás de la era moderna; numerosos autores comentan que la
primera unidad de digestión anaerobia para la obtención de biogás a partir de
aguas residuales fue construida en la India en 1859, en el asilo-hospital de
leprosos de Matunga, cerca de Mumbai(antes de 1995 se llamaba Bombay) en la
India (Sathianathan, 1975; Deublein y Steinhauser, 2008), esta planta purificaba
las aguas residuales y proveía de luz y energía al hospital en caso de
emergencias; hay también constancia de la construcción de un digestor en la
ciudad de Otago en Nueva Zelanda, casi veinte años antes, hacia 1840.
Haciendo una recapitulación de los numerosos estudios sobre este proceso, la
primera anotación científica sobre el biogás se atribuye a Jan Baptista Van
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Helmont, en la primera mitad del siglo XVII (1630), quién determinó que de la
descomposición de la materia orgánica se obtenían unos gases que eran
inflamables. Otros autores atribuyen a Shirley o Shierley en 1667 el
descubrimiento del biogás o del gas de los pantanos, identificándolo como el
causante de los denominados “fuegos fatuos”, aunque parece ser que Shirley se
basó en las conclusiones que escribió van Helmont, con anterioridad
(Santhianathan, 1975). Unos años más tarde, en 1682 R. Boyle y su asistente
Denis Papin predijeron la posibilidad de obtener un gas a partir de residuos
animales y vegetales en descomposición (Pine, 1971). Unos años más tarde, ya
en el siglo XVIII, concretamente en 1728 Stephen Hales publica su obra
“Vegetable Staticks” sobre esta materia.
El 14 de noviembre de 1776, el científico italiano Alejandro Volta, publica en una
carta “Aria inflammabilenativedellePaludi”, que en el lago Como, se forma un gas
que es explosivo cuando se agitan los sedimentos, y además concluyó que había
una correlación directa entre la cantidad de material orgánico en descomposición,
en el fondo de la masa de agua y la cantidad de gas inflamable y que el principal
compuesto del gas natural (gas de los pantanos) era el metano (Stafford y
Hawkes, 1980). La importancia de estos resultados se reconoció totalmente por la
comunidad científica de la época, lo que queda reflejado por el hecho que su carta
se tradujo al alemán sólo dos años después de su aparición.
En 1804, John Dalton describe la estructura química del metano y lo asocia con el
biogás.
En 1808 Humphry Davy, químico inglés, produce gas metano en un laboratorio
con estiércol de ganado. Se toma este acontecimiento como el inicio de la
investigación en biogás. Labor que continua, en parte, su alumno y luego célebre
físico inglés Faraday (nacido en el condado de Surrey), realizando algunos
experimentos con el gas de los pantanos y el hidrocarburo identificado como parte
de él.
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Es en 1821 cuando Avogadro elucida por primera vez la estructura química final
del metano (CH4).
En 1856, Reiset encontró que el CH4 se libera al descomponer el estiércol
amontonado y propuso que este proceso se estudiara para ayudar a explicar la
descomposición del material orgánico en general.
Louis Pasteur intentó en 1884 producir biogás a partir del estiércol de caballo
recogido de las calles de París. En ese mismo año, junto con su alumno
UlysseGayon o Gavon obtuvo 100 litros de biogás por metro cúbico de estiércol, al
mezclar estiércol y agua a 35ºC, sin la presencia de oxígeno. En ese mismo año,
otro investigador francés llamado Pastnier presentó ante la Academia de Ciencias
de Francia el primer trabajo sobre la producción de metano a partir de residuos de
granjas.
El científico ruso Omelianski, en 1886, realizó la comprobación de la formación de
metano con el estiércol de vaca.
A finales del siglo XIX fue demostrada la presencia de microorganismos
involucrados en el proceso de fermentación metánica (Barker, 1956). En estos
finales del siglo XIX se construyen en el sur de China las primeras plantas de
biogás, tal y como se conocen actualmente.
En 1901, Schengon, describió detalladamente las características morfológicas de
las metanobacterias y sugirió un concepto relativamente claro de su capacidad de
conversión en metano.
En Europa, los primeros digestores para obtener biogás a partir de residuos
orgánicos se instalan en Gran Bretaña en 1911.
En 1918, los ingleses se interesan sobre la producción de metano a partir de
residuos de granja.
En 1920, en China, Guorui desarrolló un digestor de 8 metros cúbicos de
capacidad y fundó la Compañía “GuoruiBiogasLamp”.
Con motivo de la II Guerra Mundial se desarrollaron en Alemania un gran número
de instalaciones de digestión anaerobia con el fin de potenciar nuevas fuentes de
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energía, y aunque la tecnología se extendió al resto de Europa Occidental, cuando
cesaron las condiciones de escasez de combustibles sólo quedaron funcionando
algunos pocos digestores en Alemania y Francia. Después de la II Guerra Mundial
se construyeron cerca de 40 digestores, en Europa, pero su desarrollo se frenó
por los bajos precios de los combustibles fósiles. Después de esta Gran Guerra la
generación de biogás se extendió y se desarrolló en diversos países, tales como:
Sudáfrica, Rodesia, Kenia, Uganda, Rusia, Australia, Italia, Corea, Taiwán, Japón,
Israel, Estados Unidos, India y Filipinas.
En el norte de África, en la zona francesa, entre 1940-1951 se ha reportado los
enormes esfuerzos realizados para la construcción de los llamados digestores de
metano. El diseño y prototipos fueron desarrollados por G. Ducellier y por M.
Isman, desde 1937.
En 1957, un inventor inglés llamado Bates, modifica su coche para hacerlo
funcionar con biogás, consiguiendo que siga funcionando durante 17 años más.
Durante los años de la década de los 60 se impulsó notablemente la tecnología de
producción de biogás a partir del estiércol de bovino en la India, con el doble
objetivo del aprovechamiento energético y el mantenimiento de las propiedades
fertilizantes del digerido (Campos, 2001).
En China, es en la década de los años 70 cuando se impulsa la construcción de
digestores, mediante programas de ámbito nacional (Campos, 2001). En 1977
había más de 5 millones de digestores anaerobios en China, debido al parecer,
por la mayor economía de los materiales empleados, lo que reducía los costes de
inversión (Pfeffer, 1974; Smill, 1974).
4.2 MARCO CONCEPTUAL
BIOGAS: es una mezcla de gases compuesta principalmente por Metano (CH4) y
Bióxido de Carbono (CO2), que se obtiene de la fermentación de la materia
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orgánica debido a la ausencia de aire y la acción de un grupo de microorganismos
anaerobios.
De manera natural se produce en pantanos y/o en cuerpos de agua ricos en
materia orgánica la cual está expuesta a la acción digestiva de microorganismos.
Pero también los tiraderos de basura o rellenos sanitarios pueden ser fuentes para
producirlo.
PODER CALORIFICO: el poder calorífico de un combustible es la cantidad de
energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad de masa
del combustible.
HECES FECALES: Las heces, deposiciones fecales, estiércol, están compuestas
principalmente por agua y por los elementos no digeridos, ya sea por fibra
lignificada indigerible o por granos con cubierta muy firme, o por otras fracciones
alimenticias que podrían ser digeridas, pero que no lo son por un pasaje muy
rápido por el tracto intestinal, como ser alimentos en partículas muy finas, algunos
sectores de fibra del forraje, alimentos muy digestibles (tiernos, aguachentos),
granos enteros, etc.
PROPIEDADES DE LAS HECES FECALES: Las propiedades de las heces
fecales del ganado bovino y equino difieren de casi todas las especies animales
por su alto contenido en agua, la que está en relación directa con la cantidad de
heces excretadas y con la mayor o menor aptitud para concentrarlas, como es el
caso del ganado cebú, cuyas heces tienen un contenido menor de humedad que
las del bovino europeo.
METANO: es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH4.
Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un
enlace covalente.
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El metano es un gas combustible, incoloro e inodoro cuya combustión produce
dióxido de carbono, hidrógeno y agua, con una llama azul característica. Es
asimismo el componente fundamental del gas natural.
GASES DE EFECTO INVERNADERO: Son gases que se encuentran presentes
en la atmósfera terrestre y que dan lugar al fenómeno denominado efecto
invernadero. Su concentración atmosférica es baja, pero tienen una importancia
fundamental en el aumento de la temperatura del aire próximo al suelo, haciéndola
permanecer en un rango de valores aptos para la existencia de vida en el planeta.
Los gases de invernadero más importantes son: vapor de agua, dióxido de
carbono (CO2) metano (CH4), óxido nitroso (N2O) clorofluorcarbonos (CFC) y
ozono (O3).
FERMENTACIÓN ANAERÓBICA: es un proceso natural que ocurre en forma
espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta forma
podemos encontrar el denominado "gas de los pantanos" que brota en aguas
estancadas, el gas natural metano) de los yacimientos petrolíferos así como el gas
producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos
procesos intervienen las denominadas bacterias metano génicas
El proceso de fermentación se compone de tres fases principales [Guevara 1996;
Ramón et al. 2006]: una primera fase, de hidrólisis, donde las bacterias
fermentativas o acidogénicas hidrolizan los polímeros y las convierten a través de
la fermentación en ácidos orgánicos solubles; una segunda fase, de acidificación,
donde las bacterias acetogénicas causan una metabolización de los complicados
ácidos orgánicos en acetatos (CH3COOH), dihidrógenos (H2) y
carbodióxidos(CO2); y una tercera fase, de metanización, donde las proteínas,
hidratos de carbono y grasa, los aminoácidos, alcoholes y ácidos grasos que se
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formaron en las fases anteriores, se convierten en metano, bióxido de carbono y
amoníaco. En la última fase el material de fermentación se vuelve más líquido.
BIODIGESTOR: Un digestor anaerobio, también conocido como biodigestor, es un
sistema que aprovecha la fermentación de las bacterias presentes en la materia
orgánica, en ausencia de oxígeno, para transformar esta para producir biogás y
fertilizante.
Los biodigestores o plantas de biogás sencillos se clasifican en tres tipos
principales, descritos a continuación [Hilbert 2003; Ramón et al. 2006]:
• La planta con cúpula o campana flotante: se compone de un digestor
construido en mampostería o estructura de concreto y un depósito de gas móvil en
forma de campana, la cual puede flotar directamente en la masa de fermentación
o en un anillo de agua, dependiendo de la producción de biogás. La campana
debe tener una guía que permita el movimiento vertical, cuya altura dependerá del
volumen de gas almacenado [Vargas 1992]. Es conocido también como
biodigestor Indio, y puede ser utilizado cuando se necesita de un abastecimiento
continuo de biogás y fertilizante, caracterizándose por funcionar como depósito del
gas producido, es decir, es el único tipo de biodigestores que tienen un depósito
de biogás interior [Olaya 2006].
Sus ventajas son [Hilbert 2003]: la mampostería tiene una larga vida útil, en caso
de usar estructuras de concreto, deberá protegerse este material a la corrosión
producida por la materia orgánicas y el gas; la presión de gas es constante; y es
de fácil manejo. Entre las desventajas están el alto costo en la construcción de la
campana; en la mayoría de los casos, la campana es metálica y estará sujeta a
corrosión, cuya protección a esta acción incrementa el costo y requiere un
mantenimiento periódico de la campana, incrementando los costos de operación
[Hilbert 2003].
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• La planta con cúpula o campana fija: Se compone de un digestor construido
en mampostería y un domo fijo e inmóvil cerrado donde se almacena el biogás.
Durante la producción de biogás, la masa de fermentación es desplazada hacia el
tanque de compensación y cuando se extrae el gas, la masa líquida vuelve hacia
el biodigestor. A través de constantes oscilaciones de la masa de fermentación en
la parte superior de la cúpula se evita la formación de capa flotante [Vargas 1992].
Es conocido también como biodigestor Chino, y debido a que el gas debe ser
liberado continuamente para reducir la presión interna, se utilizan en instalaciones
donde el consumo sea continuo o para almacenar el biogás en un depósito aparte
[Olaya 2006].
Entre sus ventajas se tiene una larga vida útil de aproximadamente 20 años; no
posee partes móviles y/o metálicas que se puedan oxidar, aunque la construcción
en concreto deberá ser durable; y su construcción es subterránea, que lo protege
contra bajas temperaturas [Hilbert 2003]. Entre sus desventajas se encuentran que
la presión de gas no es constante; la presión puede ser muy alta, por ello la cúpula
tiene que ser cuidadosamente sellada e impermeabilizada para evitar porosidades,
grietas y escapes de gas; y presenta costos de construcción más bajos que el
anterior biodigestor [Hilbert 2003].
• La planta balón o biodigestor tubular: La planta de balón se compone de un
tubular en material plástico (polietileno, PVC, plastilona, entre otros, y una
combinación de éstos) completamente sellado, la entrada y la salida están sujetas
directamente a las paredes de la planta [Botero & Preston 1986; Pedraza et
al.2002]. La parte inferior de la planta, en un 75% del volumen constituye la masa
de fermentación, y en la parte superior, el 25% restante, se almacena el biogás.
Este tipo de planta se recomienda para aquellos sitios donde predominan las
temperaturas altas y constantes [Vargas 1992; Pedraza et al. 2002].
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Entre sus ventajas, están [Botero & Preston 1986; Pedraza et al. 2002; Aguilar &
Botero 2006]: sus materiales de construcción son de fácil transporte; su instalación
y adecuación del sitio son sencillas; es apropiado en sitios con nivel freático alto,
por su construcción horizontal; y entre los tipos de biodigestores, es el menor
costo de construcción y operación; como se muestra en la figura 7, pueden ser
instalados por la comunidad beneficiada, sin que ésta tenga conocimientos sobre
construcción. Son desventajas, la baja presión de gas; una vida útil corta, entre 3 y
8 años, dependiendo del material que se seleccione; debe protegerse contra los
rayos solares; y el material plástico está sujeto a daños, siendo necesario en lo
posible encerrarse el área adyacente al biodigestor [Botero & Preston 1986;
Pedraza et al. 2002; Aguilar & Botero 2006].
4.3 MARCO TEÓRICO
4.3.1 Producción de biogás a partir de residuos orgánicos en biodigestores de bajo coste
La digestión anaerobia, o biodigestión, es una tecnología ampliamente difundida a
escala familiar en países como China, India o Nepal. En estos sistemas los
residuos orgánicos son convertidos en productos aprovechables como el biogás y
el biol. En los proyectos piloto que se presentan, ubicados en Perú, hasta la fecha
se han implementado alrededor de 20 biodigestores familiares, en comunidades
rurales de la zona de Cusco y de Cajamarca. La mayoría se encuentran a 3000-
4000 msnm, y la temperatura dentro del biodigestor oscila entre 10-23 ºC gracias
a la implementación de invernaderos que permiten amortiguar las oscilaciones
térmicas día-noche. Los biodigestores producen aproximadamente 0.2 m3de
biogás por día, dentro del rango psicrofílico, que con biodigestores de 5 m3 es
suficiente para cocinar 3-4 h diarias, sustituyendo los combustibles tradicionales.
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El coste de construcción de los biodigestores (40 €/ m3) seria asumible, al menos
parcialmente, por familias campesinas. A nivel financiero, la instalación es más
viable cuando el biogás sustituye un combustible con valor de mercado como el
gas propano, resultando en un payback de 2 años y 8 meses; o bien cuando
permite elaborar productos con valor añadido (quesos, yogures, mermeladas,
etc.). Por otro lado, la eficacia del sistema también podría aumentar mediante la
integración del biodigestor en la granja, conectándolo con la letrina y usando el
biol como fertilizante para los cultivos. Estas aproximaciones son objeto de
trabajos futuros.
4.3.2 Obtención de biogás a partir de excretas de ovino y vacuno para uso domestico
El presente proyecto se desarrolló para obtener biogás aprovechando los residuos
orgánicos animales y de esta manera reducir las emisiones de metano que es uno
de los causantes del efecto invernadero.
Se plantearon estudiar la influencia de las variables de operación en la producción
biogás de alta calidad, empleando diferentes mezclas de las excretas de ovino y
vacuno.
Basándose en una investigación experimental – comparativa, con un diseño
factorial experimental simple. Nuestra variable independiente es la humedad y las
proporciones de las excretas, la variable dependiente es la calidad del biogás.
Tomando como Población: Las excretas de ovino y vacuno del distrito de Ahuac
del establo del Sr Agustín Cáceres solano. La muestra será la cantidad necesaria
de estiércol a ingresar en el biodigestor que será de unos cinco litros.
Se podrá obtener un combustible limpio y barato comparado con los fósiles para
uso doméstico, que reemplazaría la leña usada como combustible, lo que evitaría
27
problemas de salud relacionado con el sistema respiratorio de los campesinos que
usen el biogás reduciendo así las emisiones de metano.
4.3.3 Proyecto de investigación de biogás producido con residuos cítricos y estiércol
La investigación que desarrolla Ainia plantea lograr la más alta producción de
biogás a partir de la mezcla de los residuos agroalimentarios, mediante un proceso
de co-digestión anaerobia.
La investigación que desarrolla Ainia, pionera en España, plantea lograr la más
alta producción de biogás a partir de la mezcla de los residuos cítricos y estiércol
de vacuno, mediante un proceso conjunto de fermentación sin oxígeno (co-
digestión anaerobia), ya que se ha evidenciado que ambos residuos presentan
altos grados de biodegradabilidad y productividad metanogénica, equilibrio de
nutrientes, ausencia de sustancias contaminantes que pudieran inhibir el proceso,
condiciones óptimas para la producción industrial de esta energía renovable.
Concretamente, los ensayos que el centro está desarrollando en plantas piloto
internas, están determinando, por un lado, cuál es el porcentaje de mezcla de la
naranja con el estiércol que permita una producción de biogás aceptable, y por
otro, el volumen y calidad logrado en función del pre-tratamiento aplicado a los
residuos cítricos.
Los resultados principales determinan que en la concentración de naranja más alta
ensayada en la mezcla (un 30% de cítricos y un 70% de estiércol vacuno), la
producción de biogás obtenida es muy elevada. Por otro lado, se ha comprobado
como la eliminación del flavedo de la naranja (que se encuentra en la parte más
externa del cítrico) mejora el rendimiento en biogás.
Ainia ha demostrado que el residuo cítrico, en estas condiciones, fermenta bien
con el estiércol consiguiendo una alta productividad de Biogás. Para el futuro se
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plantea seguir investigando en la línea de incrementar el porcentaje de residuo
cítrico con respecto al de estiércoles y emplear otros residuos ganaderos como el
purín de cerdo, oveja, etc.
4.3.4 Aprovechamiento de biogás proveniente del abono de ganado vacuno de un establo ubicado en Ixtapaluca estado de México.
Una vez que se obtiene el producto que en este caso el Biogás producido por las
excretas se procedió a llevar a cabo un análisis para determinar la composición
porcentual de Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2) que son sus principales
componentes y básicamente de Metano (CH4) que es el componente que
proporciona el poder calorífico al Biogás
Elemento PorcentajeMetano 50%
Dióxido de Carbono 45%
Ácido Sulfhídrico 2.5%
Nitrógeno 2.5%
El Biogás producido por las excretas de ganado cumple con el porcentaje mínimo
del 50% de contenido de metano marcado por Dr. José Antonio Guardado
Chacón. El estudio muestra un valor económicamente atractivo para la aplicación
de este sistema, además de que presenta beneficios incuantificables en el aspecto
ambiental, que van de acuerdo al desarrollo sustentable.
4.4 MARCO LEGAL
29
En Colombia, la regulación y vigilancia gubernamental sobre el uso y manejo de
excretas animales es escasa y confusa, ya que sólo se especifican ciertas normas
sobre descargas de contaminantes al agua, restando importancia a las emisiones
a la atmósfera y suelo, y sin especificaciones claras relacionadas con excretas de
ganado.
En Colombia, la reglamentación nacional no se refiere específicamente al manejo
del estiércol en operaciones ganaderas. En materia ambiental general, el
Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial emitió el Decreto-Ley
2811 de 1974 por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales
Renovables y de Protección al Medio Ambiente que en su capítulo II se refiere al
control y la prevención de la contaminación del agua, incluyendo las actividades
rurales y la eliminación de estiércol. Además, la Resolución 0601 de 2006 sobre la
Norma de Calidad del Aire fija límites máximos para la emisión de sustancias
contaminantes y de olores, entre los cuales están el amoniaco y el ácido
sulfhídrico generados por la descomposición del estiércol (MAVDT, 2006).
La normativa de esta índole en Colombia aún carece de estímulos por las buenas
prácticas en el manejo de excretas ganaderas; por tanto, el gobierno debe
responsabilizarse de la monitorización periódica en los sistemas ganaderos para
controlar las descargas excedentes de contaminantes al ambiente y a los recursos
naturales, y además deben promover las compensaciones por bonos de carbono.
Ley 99 de diciembre 22 de 1993. Elaborada por el Congreso de la República de
Colombia. Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el
Sector Publico encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los
recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental, SINA y
se dictan otras disposiciones. Una de las funciones del Ministerio es regular las
condiciones generales para el saneamiento del medio ambiente, y el uso, manejo,
aprovechamiento, conservación, restauración y recuperación de los recursos
30
naturales, a fin de impedir, reprimir, eliminar o mitigar el impacto de actividades
contaminantes, deterior antes o destructivas del entorno o del patrimonio natural.
Política Nacional para la gestión Integral de Residuos, 1997. Elaborada por el
Ministerio del Medio Ambiente. Contiene el diagnóstico de la situación de los
residuos, los principios específicos (Gestión integrada de residuos sólidos, análisis
del ciclo del producto, gestión diferenciada de residuos aprovechables y basuras,
responsabilidad, planificación y gradualidad), los objetivos y metas, las estrategias
y el plan de acción. Plantea como principio la reducción en el origen,
aprovechamiento y valorización, el tratamiento y transformación y la disposición
final controlada, cuyo objetivo fundamental es "impedir o minimizar" de la manera
más eficiente, los riesgos para los seres humanos y el medio ambiente que
ocasionan los residuos sólidos y peligrosos, y en especial minimizar la cantidad o
la peligrosidad de los que llegan a los sitios de disposición final, contribuyendo a la
protección ambiental eficaz y al crecimiento económico.
Resolución 1045 del 26 de septiembre de 2003. Elaborada por el Ministerio de
Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Por la cual se adopta la metodología
para la elaboración de los Planes de Gestión Integral de Residuos Sólidos,
PGIRS, y se toman otras determinaciones.
Decreto 948 de 1995. Reglamento de protección y control de la calidad del aire. El
presente Decreto tiene por objeto definir el marco de las acciones y los
mecanismos administrativos de que disponen las autoridades ambientales para
mejorar y preservar la calidad del aire; y evitar y reducir el deterioro del medio
ambiente, los recursos naturales renovables y la salud ocasionados por la emisión
de contaminantes químicos y físicos al aire; a fin de mejorar la calidad de vida de
la población y procurar su bienestar bajo el principio del Desarrollo Sostenible.
31
DECRETO 2 DE 1982. Por el cual se reglamentan parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979 y el Decreto Ley 2811 de 1974, en cuanto a emisiones atmosféricas.
5. METODOLOGIA
5.1 TIPO DE ESTUDIO
32
El estudio que se realizará es de carácter exploratorio, porque se va a comparar el
poder calorífico del biogás generado a partir de las heces fecales de origen bovino
y de equino. Este tipo de estudio tiene pocos antecedentes teóricos,
específicamente en cuanto a la comparación del poder calorífico de estos
biocombustibles. Este proyecto puede servir como base para futuras
investigaciones relacionadas con este tema.
5.2 METODO DE INVESTIGACIÓNEsta investigación se basa en el método de deducción, porque se parte de los
estudios realizados en otras investigaciones acerca de la generación de biogás a
partir de heces fecales, tanto de origen bovino como de equino; para poder
determinar cuál de los dos tipos de biogás a generar tiene un mayor poder
calorífico de acuerdo a sus propiedades químicas, físicas y biológicas.
5.3 LOCALIZACIÓNLa investigación se desarrollara en la Universidad de Córdoba con sede en el
corregimiento de Berastegui, kilómetro 12 vía municipio de Ciénaga de Oro,
departamento de Córdoba, Colombia; con una temperatura promedio de 27°C,
humedad relativa 80% y 20 m.s.n.m, situada geográficamente en las coordenadas
8º40`26“W.
Figura 1. Ubicación geográfica Universidad de Córdoba sede de Berastegui.
33
Fuente: Imágenes 2013 @DigitalGlobe, U.S. Geological Survey, Datos de mapa
@2013 Google y www.unicordoba.edu.co
5.4 FUENTES Y TÉCNICAS PARA LA RECOLECCION DE LA INFORMACIÓN
5.4.1 FUENTES DE INFORMACION Las bases de información de esta investigación se fundamentan en los siguientes
proyectos:
Producción de biogás a partir de residuos orgánicos en biodigestores de bajo
coste.
Obtención de biogás a partir de excretas de ovino y vacuno para uso
doméstico.
Proyecto de investigación de biogás producido con residuos cítricos y estiércol.
5.4.2 FUENTES SECUNDARIASDependiendo de su fuente, el biogás puede presentar diferentes características
bioquímicas y físicas, en esta investigación se hace indispensable medirlos, entre
ellos están el porcentaje de humedad, temperatura, pH y el poder calorífico.
Para la medición de los parámetros se emplean una serie de formatos donde se
recolecta la información obtenida. (Anexos A, B y C)
5.5 DISEÑO METODOLOGICOSelección de biomasa a utilizar
La biomasa a utilizar son las excretas de origen de ganado bovino y de equino.
Caracterizar las excretas
Determinar las características químicas, físicas y biológicas de las heces fecales
de los ganados bovino y equino, en un tiempo establecido de dos semanas. Para
34
poder comparar y tener un balance entre los datos diarios tomados en el estudio
de las propiedades de estos residuos orgánicos. Estas caracterizaciones se
realizaran en los laboratorios requeridos, como son de química, microbiología y
física.
Tipo de procesoEl tipo de proceso a desarrollar es de biodigestión anaerobia que es continuo, ya
que se alimenta diario y diario se obtendrán productos, se considera que
acondiciones normales de temperatura en Berastegui(27 ºC temperatura
promedio), el rango de operación de la biodigestión mesofilica puede funcionar sin
emplear un sistema de calentamiento alterno, porque el rango es de 20 ºC a 35
ºC- 45 ºC.
Selección del biodigestor
Al seleccionar el biodigestor se tendrá en cuenta la materia prima a utilizar, las
condiciones ambientales de Berastegui, su resistencia y durabilidad, así como el
costo económico que implica la fabricación o compra de este equipo. El
biodigestor seleccionado es el biodigestor tubular o planta de balón.
Volumen de heces fecalesSe procederá a recolectar diariamente las excretas de ganado bovino y de
equino, cada una de estas se guardaran en depósitos diferentes.
El volumen de heces fecales que serán procesadas depende de la cantidad de
residuos expulsados por las especies animales y del diseño del biodigestor.
En el biodigestor de balón los tubos de conexión tendrán un diámetro de 0.76m y
1.90 m de altura, Con estas dimensiones se puede calcular el volumen del
35
biodigestor porque este tiene forma cilíndrica, para determinar el volumen máximo
de proceso, dejando 0.20 m libres en la parte superior para la acumulación de gas.
Instalación del Biodigestor
El Biodigestor lleva en su proceso de instalación una cámara de mezcla que tiene
unas dimensiones de 5x5 m (metros), conectado a una a un balón de 0.76m de
diámetro, 1.90 m de altura y 8 m de largo, este a su vez está conectado a una
cámara de salida con dimensiones de 3x3 m. El biodigestor estará alojado a 8 m
de las caballerizas en la Universidad de Córdoba, sede de Berastegui
Proceso de biodigestión
El excremento es introducido a la cámara de mezcla. El material se deja a
fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes
orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno.
El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos
bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico
produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama
biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso
genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál
puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el
tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados.
Caracterización de los biogás
Dos días a la semana se tomaran muestras del biogás para ser analizadas en el
laboratorio químico, físico y microbiológico, para determinar las características de
los biogás generados. Estas propiedades a analizar son temperatura, pH, poder
calorífico, humedad.
Comparación de poder calorífico de los biogás
36
A partir de las propiedades analizadas se determinara cual tiene mayor poder
calorífico para determinar si puede ser utilizado para las cafeterías de la
Universidad de Córdoba.
Análisis de resultado
Al finalizar se realizara el análisis de resultado donde se tendrán en cuenta todos
los factores que contribuyeron en esta investigación
6. CRONOGRAMA
ACTIVIDAD TIEMPO EN SEMANAS1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Caracterización Heces Fecales
Recolección de Heces Fecales
Montaje del BiodigestorRecolección del Biogás
Caracterización del biogásComparación
Poder Calorífico de los Biogás
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Análisis de Resultados
Revisión Bibliográfica
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ITEM DESCRIPCIÓN VALOR UNITARIO ($) CANTIDAD UNIDAD VALOR
TOTAL ($)
1 Transporte 1700 200 Ud 340000
2 Fotocopia 100 200 Ud 20000
3 Impresiones 300 350 Ud 105000
4 Internet 1000 25 Hr 25000
5 Papelería 50000 1 Glb 50000
6Caracterización de las heces fecales
750000 2 Ud 1500000
7Estudios Fisicoquímicos del Biogás
900000 2 Ud 1800000
SUBTOTAL 3840000
IMPREVISTO (5%) 192000
TOTAL 4032000
7. PRESUPUESTO
39
BIBLIOGRAFIAS
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Bogotá, 1974. [Citado]. Disponible en la página de internet: http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=1551
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su relación con la alimentación. [On line] .Rio Cuarto, 2006. [Citado 4 de
mayo de 2013]. Disponible en internet: http://www.produccion-
animal.com.ar/informacion_tecnica/manejo_del_alimento/
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40
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SEOÁNEZ, Mariano. Ingeniería del Medio Ambiente. Tratado de Gestión del
Medio Ambiente Urbano. España: Mundi-Prensa, 2000. 197 p.
41
ANEXOS
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ORIGENCANTIDAD DE HECES FECALES
SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 TOTAL (Kg)
BOVINO
EQUINO
ANEXO A.
FORMATO PARA LA CANTIDAD EN KG DE HECES FECALES RECOLECTADAS
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ANEXO B.
FORMATO PARA LAS CARACTERISTICAS FISICO-QUIMICAS DEL BIOGAS
CARACTERISTICAS
TIPO DE BIOGAS
ORIGEN BOVINO
MES 1 MES 2PROMEDIO
SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4
PH
Temperatura
% Humedad
Poder Calorífico (KJ)
Cantidad en LTOTAL
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ANEXO CFORMATO PARA LAS CARACTERISTICAS FISICO-QUIMICAS DEL BIOGAS
CARACTERISTICAS
TIPO DE BIOGAS
ORIGEN EQUINO
MES 1 MES 2PROMEDIO
SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4 SEM 1 SEM 2 SEM 3 SEM 4
PH
Temperatura
% Humedad
Poder Calorífico (KJ)
Cantidad en LTOTAL
45
11
12