BIOGÁS APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA … · 2019. 8. 12. · 2 BIOGÁS APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA GANADERO – AVÍCOLA NADIA FERNANDA MANTILLA SUÁREZ

1

BIOGÁS APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA

GANADERO – AVÍCOLA

NADIA FERNANDA MANTILLA SUÁREZ

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES– FACULTAD DE INGENIERIAS

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS BUCARAMANGA

2017

2

BIOGÁS APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA GRANJA

GANADERO – AVÍCOLA

NADIA FERNANDA MANTILLA SUÁREZ

COD. 11822007

Trabajo de Maestría para optar el título de Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

Director Gilberto Carrillo Caicedo Ph.D Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES–

FACULTAD DE INGENIERIAS MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA 2017

3

4

A Dios como centro de mi existencia, que me ilumina y me da fortaleza para seguir

con mis proyectos; a mis padres quienes siempre han creído en mí y me han brindado todo su apoyo, a mi esposo y a mis hijos

Wilson, Juanita y Matías que han compartido su tiempo y me han dado ánimo para culminar este trabajo de maestría.

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AGRADECIMIENTOS

La autora expresa sus agradecimientos a:

Mi familia, padres, esposo e hijos por su apoyo incondicional y acompañamiento durante todo el desarrollo de la maestría.

A la Universidad y en especial al doctor Gilberto Carrillo Caicedo por su apoyo y asesoría como director de este trabajo de maestría.

6

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 13

2. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 15

3. PROBLEMA ............................................................................................ 16

3.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................16

3.2 DECLARACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................18

4. OBJETIVOS ............................................................................................ 18

4.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................18

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................19

5. MARCO REFERENCIAL ............................................................................ 19

5.1 MARCO CONTEXTUAL .....................................................................................19

5.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................26

5.3 MARCO CONCEPTUAL.....................................................................................35

6. METODOLOGÍA ....................................................................................... 37

6.1 SELECCIÓN DEL SITIO.....................................................................................39

6.2 OBSERVACIÓN DIRECTA Y REGISTRO FOTOGRAFICO EN SITIO ........................39

6.3 MÉTODOS DE CUANTIFICACIÓN ......................................................................39

6.4 TOMA DE MUESTRAS ......................................................................................39

6.5 VALIDACIÓN CON TRABAJADORES ..................................................................40

6.6 DISEÑO ..........................................................................................................40

7. DESARROLLO DEL TRABAJO DE MAESTRÍA ............................................ 40

7.1 DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN FISICOQUÍMICA Y MICROBIOLÓGICA DEL

ESTIÉRCOL ...............................................................................................................40

7.1.1 TEMPERATURA ........................................................................................41

7.1.2 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) ...................................................41

7.1.3 CONDUCTIVIDAD .....................................................................................41

7.1.4 HIERRO ...................................................................................................41

7.1.5 FOSFATOS...............................................................................................42

7.1.6 NITRITOS .................................................................................................42

7.1.7 NITRATOS................................................................................................43

7.1.8 pH ...........................................................................................................43

7.1.9 RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N) ...................................................43

7.1.10 OXÍGENO DISUELTO ................................................................................44

VII

7.1.11 SULFATOS ...............................................................................................44

7.1.12 CARBONO ORGÁNICO TOTAL ...................................................................44

7.1.13 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) .............................................44

7.1.14 ÁCIDO SULFHÍDRICO ...............................................................................45

7.1.15 DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA MEDIANTE DR/890 DE HACH [51] .........45

7.1.16 HUMEDAD................................................................................................45

7.1.17 MATERIA ORGÁNICA ................................................................................45

7.1.18 ACTIVIDAD METANOGÉNICA ....................................................................45

7.1.19 MATERIALES Y REACTIVOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN .........46

7.1.20 PROCEDIMIENTO PARA PREPARACIÓN DE SOLUCIONES .........................46

7.2 RESULTADOS DE LA COMPOSICIÓN DEL ESTIÉRCOL .......................................48

7.2.1 MUESTRA N° 1. ESTIÉRCOL DE VACA .......................................................48

7.2.2 MUESTRA N° 2. ESTIÉRCOL DE POLLO .....................................................49

7.2.3 MUESTRA N° 3. COMBINADA ESTIÉRCOL DE POLLO Y DE VACA ...................50

7.2.4 RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA ...............................52

7.2.5 FACTOR DE CORRECCIÓN (gDQO/L) [55] ...................................................55

7.2.6 VOLUMEN TEÓRICO DE CH4 [55] ..............................................................55

7.2.7 ACTIVIDAD METANOGENICA (AME) [55] .....................................................55

7.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO ..........................57

7.3.1 ALMACENAMIENTO DE ESTIERCOL ..........................................................57

7.3.2 CANTIDAD DE RESIDUOS ORGÁNICOS .....................................................58

7.3.3 TIEMPO DE RETENCIÓN ...........................................................................62

7.3.4 VOLUMEN DEL BIODIGESTOR ..................................................................63

7.3.5 PRODUCCIÓN ESTIMADA DE BIOGÁS [11] .................................................63

7.3.6 DIMENSIONES DE BIODIGESTOR ..............................................................64

7.3.7 INSTALACION DEL BIODIGESTOR Y CONDUCCIÓN DEL GAS .....................67

7.4 OFERTA ENERGÉTICA Y USO DEL BIOGÁS .......................................................70

7.5 COSTOS DEL BIODIGESTOR ............................................................................77

7.5.1 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN...................................................................77

7.5.2 COSTOS DE OPERACIÓN .........................................................................79

8. CONCLUSIONES ..................................................................................... 80

9. RECOMENDACIONES .............................................................................. 81

10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 82

VIII

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Rendimiento de Biogás para distintos tipos de estiércol ................................. 29

Tabla 2 Producción de biogás para varios tipos de estiércol/sustratos ......................... 29

Tabla 3 Potencial energético................................................................................... 34

Tabla 4 Consumo de biogás por gasodoméstico ....................................................... 35

Tabla 5 Materiales y reactivos utilizados .................................................................. 46

Tabla 6 Resultados muestra N°1 ............................................................................. 49

Tabla 7 Resultados muestra N° 2 ............................................................................ 50

Tabla 8 Resultados muestra N°3 ............................................................................. 50

Tabla 9 Estimación relación C/N ............................................................................. 51

Tabla 10 Relaciones C/N de varios productos residuales ........................................... 52

Tabla 11 Comportamiento Metanogénico ................................................................. 53

Tabla 12 Valores de DQO de los inóculos ................................................................ 54

Tabla 13 Porcentaje de remoción de materia orgánica .............................................. 55

Tabla 14 Valores de la actividad metanogénica específica de los inóculos .................. 56

Tabla 15 Cantidades de animales en finca ............................................................... 58

Tabla 16 Valores y características del estiércol de algunos animales .......................... 59

Tabla 17 Diámetros del digestor, según el ancho de rollo empleado ........................... 65

Tabla 18 Sección eficaz del digestor, según el ancho de rollo empleado ..................... 65

Tabla 19 Valor energético Biogás vs otras fuentes .................................................... 71

Tabla 20 Energía equivalente ................................................................................. 71

Tabla 21 Materiales ............................................................................................... 78

Tabla 22 Costos de obra civil .................................................................................. 78

Tabla 23 Costos de operación mensual ................................................................... 79

IX

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Ubicación granja prototipo seleccionada ............................................... 20

Ilustración 2. Proceso avícola ................................................................................. 20

Ilustración 3. Galpón granja La Fortuna ................................................................... 20

Ilustración 4 . Almacenamiento pollinaza compostada granja La Fortuna ..................... 21

Ilustración 5. Ventilación galpón granja La Fortuna................................................... 22

Ilustración 6. Incubación galpón granja La Fortuna .................................................... 22

Ilustración 7. Cilindros de gas granja La Fortuna ....................................................... 23

Ilustración 8. Alimentación pollos granja La Fortuna .................................................. 23

Ilustración 9. Régimen alimentario granja La Fortuna ................................................ 24

Ilustración 10. Proceso ganadero ............................................................................ 25

Ilustración 11.Digestión anaerobia ........................................................................... 28

Ilustración 12.Fases de digestión anaerobia. ............................................................ 28

Ilustración 13. Tipo Hindú ....................................................................................... 31

Ilustración 14. Tipo Chino ....................................................................................... 31

Ilustración 15. Tipo Discontinuo y continuo ............................................................... 32

Ilustración 16. Tipo Discontinuo y continuo ............................................................... 32

Ilustración 17. Biodigestor de polietileno .................................................................. 33

Ilustración 18. Método del trabajo de maestría .......................................................... 38

Ilustración 19. Montaje de la actividad metanogénica (AME). ..................................... 48

Ilustración 20. Comportamiento metanogénico muestra pollo + vaca .......................... 54

Ilustración 21. Dimensiones de los biodigestores ...................................................... 67

Ilustración 22. Zanjas para biodigestores ................................................................. 68

Ilustración 23. Válvula de salida .............................................................................. 69

Ilustración 24. Válvula de seguridad ........................................................................ 69

X

Ilustración 25. Red de distribución ........................................................................... 73

Ilustración 26. Artefactos y adecuaciones................................................................. 74

XI

RESUMEN

Título: Biogás. Aprovechamiento energético de una granja ganadero – avícola

Autor: Nadia Fernanda Mantilla Suárez

Palabras clave: biogás, aprovechamiento energético, producción agropecuaria, tratamiento de residuos sólidos orgánicos e impacto ambiental.

Descripción:

El departamento de Santander -Colombia- se caracteriza por su producción agropecuaria en terrenos con vocación ganadera y avícola. Pero, los altos costos del servicio de energía y la cantidad de biomasa producida, representada principalmente en residuos orgánicos, constituyen un problema de interés de la academia regional.

El trabajo de maestría Biogás, Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola tiene precisamente como objetivo principal, diseñar un sistema que permita el aprovechamiento del biogás producido en una granja y presentarlo como prototipo energéticamente sostenible; es decir, de bajo costo, que minimiza impactos ambientales e incrementa beneficios sociales. Así y a partir de una metodología experimental, se hizo la selección del predio representativo de una granja santandereana con dificultades de aprovechamiento de estiércol bovino y aviar; que enfrenta impactos ambientales ocasionados por la generación de estiércol y presenta deficiencias para suplir los requerimientos energéticos demandados por sus actividades productivas.

En un segundo momento se realizó la caracterización de residuos sólidos de ganado vacuno y de aves de corral del predio rural seleccionado para hacer el diseño del sistema de aprovechamiento energético a partir de biogás y la definición de requerimientos energéticos; para finalizar con la evaluación financiera correspondiente; y las debidas conclusiones y recomendaciones.

XII

ABSTRACT

Title: Biogas. Energetic exploitation of a livestock farm - poultry

Author: Nadia Fernanda Mantilla Suárez

Keywords: biogas, energy use, agricultural production, treatment of organic solid waste and environmental impact.

Description:

The department of Santander -Colombia- is characterized by its agricultural production in land with cattle and poultry vocation. The high costs of the energy service and the amount of biomass produced, represented mainly in organic waste, constitute a problem of interest to the regional academy.

The project Biogas, Energy use of a poultry-livestock farm has as its main objective, to design a system that allows the use of biogas produced in a farm and present it as an energy-sustainable prototype; that is, low cost, which minimizes environmental impacts and increases social benefits. Based on an experimental methodology, the selection was made of a Santander farm with difficulties in the use of bovine and avian manure; that faces environmental impacts caused by the generation of manure and has deficiencies to meet the energy requirements demanded by its productive activities.

Subsequently, the characterization of solid waste from cattle and poultry from the selected rural area was carried out to design the system of energy use from biogas and the definition of energy requirements; to finish with the corresponding financial evaluation; and the proper conclusions and recommendations.

Biogás: Aprovechamiento energético de una granja ganadero – avícola

Universidad de Santander

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados

Campus Universitario Lagos del cacique, Bucaramanga. PBX 6516500

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1. INTRODUCCIÓN

Dentro de los objetivos de Desarrollo del Milenio (2000 – 2015) y en los actuales objetivos de Desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas (2016 -2030) se incluye la sostenibilidad ambiental. Esta propende por la reducción de los impactos negativos de los recursos naturales, la disminución en el consumo de sustancias agotadoras de la capa de ozono y en las emisiones de CO2 [1][5]. Este direccionamiento global motiva a las regiones del mundo a replantear el uso de combustibles fósiles desde todos los sectores productivos.

Con respecto al sector productivo agropecuario, las granjas avícolas y ganaderas tienen requerimientos energéticos para sus procesos industriales, como por ejemplo la incubación con gas natural o el uso de refrigeradores eléctricos para enfriamiento de leche. Sin embargo, el consumo de energía en zonas rurales presenta dificultades en la disponibilidad y accesibilidad. Para el caso del gas, su transporte y almacenamiento representa altos costos y en cuanto a energía eléctrica, ésta es intermitente o nula, por lo cual la implementación de energías alternativas se plantea como una opción prometedora para el mejoramiento en la sostenibilidad de los procesos agroindustriales.

El departamento de Santander en Colombia, tiene tres actividades económicas principales: el sector servicios con el 30,39% de participación, el sector industrial con un 20,95% y el agropecuario con el 12,42% [2]. Este trabajo de maestría focaliza su atención en el sector agropecuario, esto es, en zonas rurales del departamento, que cuentan con extensiones de tierra y productos representativos como: cacao, café, caña panelera, guayaba, piña, mora, mandarina, limón, aguacate, hortalizas, tomate, habichuela, pimentón, cebolla junca, ajo, caucho, palma, forestales, ganadería bovina, avicultura, caprinos y piscicultura, principalmente.

En cuanto a ganadería santandereana, se cuenta con aproximadamente una población de 1.365.807 cabezas dedicadas a explotaciones de cría (33,4%); doble propósito (4,3%) y ceba (19,2%), ubicadas en las seis provincias santandereanas:

Soto: 194.882, Guanentá: 127.517, Comuneros 113.300, Vélez (Hoya del Río Suárez): 239.846, García Rovira: 88.198, de Mares (Magdalena Medio): 885.859. La raza predominante es la Cebú (Brahman) y sus cruces con Holstein, Normando, Pardo Suizo, China Santandereana, Blanco Orejinegro, Simmental, Beefmaster y Santa Gertrudis. El área dedicada a la ganadería de Santander contempla una extensión de 1.118.318 hectáreas cultivadas en pastos naturales y





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mejorados. Las praderas naturales superan el 50% de la extensión forrajera en el Departamento de Santander destacándose las siguientes gramíneas: paja comino (Homolepsis aturensis), Maciega (paspalum Virgatum), vendeaguja (cortadería nítida), Bahía o tenza (paspalum notatum), falsa poa (Holcus Lanatus) [3].

La avicultura en Santander (producción de huevos y pollo para consumo humano) ocupa un renglón importante en el desarrollo industrial del departamento y del país. En municipios como Lebrija, Rionegro, Floridablanca, Piedecuesta, Los Santos, Zapatoca, Aratoca, Curití, Oiba, Barbosa y el Magdalena Medio, esta actividad económica es destacada, y produjo para 2012, cerca de 200 millones de huevos y 25.000 toneladas de pollo mensuales entre 1128 granjas avícolas (con capacidad para la incubación, cría, levante y engorde de las aves) las cuales cubrieron cerca del 25% y 30% de la necesidad nacional respectivamente [4].

El manejo inadecuado de estiércol de ganado y del de aves de corral en el desarrollo de actividades agropecuarias, representa graves problemas sanitarios y ambientales, tales como la proliferación de vectores, contaminación de suelos, presencia de olores ofensivos e incluso, contaminación de fuentes hídricas, algunas de ellas indispensables en abastecimiento de agua para consumo humano.

A pesar de la implementación de procesos como el compostaje, que permiten el aprovechamiento de ciertas cantidades de estiércol líquido y sólido; en su mayoría, no se garantiza el uso total de la producción generada por los animales. Además, buena parte del residuo se desperdicia durante el traslado hasta el sitio de tratamiento o se limita por los procesos implementados tradicionalmente. Finalmente, la generación diaria y la disposición en espacios físicos insuficientes e inadecuados para el almacenamiento del estiércol en una granja, dificultan el manejo de este residuo.

Además, como ya se mencionó, los altos costos del servicio de energía, la cantidad de biomasa producida y presentada en la actualidad como residuos sólidos orgánicos y el gran número de granjas con tales características en la región, motivan a realizar un estudio de posibilidades energéticas del biogás generado por las excretas de animales presentes en una granja de vocación ganadera y avícola.

Así, se presenta a continuación el trabajo de maestría Biogás, Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola, a partir de esta introducción se presenta en el 2 y 3 capítulo la justificación y problemática a abordar, 4 y 5 los objetivos y el marco referencial, en el capítulo 6 la metodología en donde se detalla el carácter experimental que orientó el trabajo investigativo. En el capítulo 7 de desarrollo del trabajo de maestría se presenta la caracterización fisicoquímica





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y microbiológica del estiércol haciendo alusión a los parámetros de análisis para las muestras de ese residuo orgánico; los resultados de la caracterización; el diseño del sistema de aprovechamiento energético a partir del biogás; oferta energética y uso del biogás y costos. Finalmente en el capítulo 8 y 9 las conclusiones y recomendaciones del trabajo de maestría.

2. JUSTIFICACIÓN

En la agenda 2030, aprobada por Naciones Unidas a finales del año 2015, y donde se citan los objetivos 6 y 7 de desarrollo sostenible “agua limpia y saneamiento, y energía asequible y no contaminante” mediante la búsqueda de alternativas de progreso en el marco del desarrollo sostenible [5] y de propósitos nacionales en el eje de “Crecimiento Verde” objetivo “Avanzar hacia un crecimiento sostenible y bajo en carbono” y en el eje Desarrollo minero energético para la equidad regional [6] constituyen los principales elementos motivadores que justifican el desarrollo del trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola. Igualmente, este trabajo de maestría aporta significativamente a suplir “carencias en la aplicación de un modelo de desarrollo económico sostenible soportado en la innovación y la tecnología, mediante la implementación de proyectos autosostenibles productivos y la generación de ingresos a los agricultores santandereanos, soportada en la conservación de ecosistemas naturales de la región”[2]. En Colombia el aprovechamiento de la materia orgánica para la producción de biogás es una práctica adoptada en diferentes zonas; en Bogotá por ejemplo, en una planta de biogasificación se producen 2 toneladas diarias de biogás resultado del aprovechamiento de los residuos vegetales que recoge el jardín y del proceso de arborización y tala de la ciudad [71], en Medellín, en la planta de tratamiento de aguas residuales de san Fernando y en el relleno sanitario de la Pradera aprovechan la materia orgánica derivada de las aguas residuales y basura de la ciudad; en diversas granjas a lo largo del país se aprovechan los residuos porcícolas; sin embargo la producción de energía a partir de los residuos orgánicos avícolas es poco utilizado en la industria colombiana [72]. En [72] se considera que el aprovechamiento energético a partir del biogás en el sector avícola contribuye a disminuir la problemática ambiental y puede ser de gran ventaja para las criadoras en el levante del pollo.

Por otro lado, la producción de biogás en granjas ganaderas es una práctica más usual en el escenario global y nacional. En la Granja La Estrella, Guanajuato, México generan 25 toneladas diarias de estiércol de 700 cabezas de ganado y producen mil 400 metros cúbicos de biogás, con 62 por ciento de metano (CH4) y 23 por ciento de dióxido de carbono (CO2) [73]; otro ejemplo es en Guaduas,





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Cundinamarca, Colombia donde se implementa la biodigestión en ganadería de carne [74]. Asimismo, este trabajo de maestría evidencia la aplicación de conceptos económicos y de diseño vistos a lo largo de la maestría en Sistemas Energéticos Avanzados de la Universidad de Santander, en procesos de experimentación y práctica en escenarios reales; particularmente en la línea de investigación en energías renovables del grupo ambiental de investigación aplicada – GAIA– UDES. En síntesis, la investigación en este tema representa para la Universidad de Santander un aporte a este sector económico de la región. Finalmente, como ingeniera sanitaria y ambiental, considero que el trabajo de maestría es coherente con el propósito y perfil de la disciplina ya que direcciona el trabajo al enfoque preventivo en la generación de impactos ambientales tales como el aumento de volumen de residuos orgánicos, la contaminación del suelo y del agua y los impactos propios de la industria avícola y ganadera en Santander.

3. PROBLEMA

3.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Es indiscutible que en zonas rurales de países en vías de desarrollo como Colombia se evidencia la continuidad de prácticas tradicionales inadecuadas para la salud pública y poco amigable con el medio ambiente, como la disposición directa en el suelo de estiércol bovino y pollinaza. Estos residuos orgánicos están compuestos por una serie de sustancias como, nitrógeno, fósforo y azufre que al liberarse en el suelo desencadenan procesos de alteración biológica [7]. Derivado de lo anterior, entra en escena el problema de la eutrofización. La eutrofización consiste en “el enriquecimiento en nutrientes de las aguas, que provoca la estimulación de una serie de cambios sintomáticos, entre ellos el incremento de algas y macrófitas, el deterioro de la calidad de agua y otros cambios sintomáticos que resultan indeseables e interfieren con la utilización del agua” [8]. Este problema se presenta también en las zonas rurales santandereanas y está asociado al bajo nivel socio económico y educativo de las comunidades, dificultades en el acceso a servicios públicos y al escaso desarrollo tecnológico (principalmente en temas de sostenibilidad y uso de recursos naturales renovables).





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Otro problema es el del bajo desarrollo energético en el ámbito rural, que ha impedido el mejoramiento de las condiciones de vida y la productividad del campo colombiano. Esto genera como constante, el incremento en los índices de pobreza y carencias en saneamiento básico, que afectan por tanto el parámetro básico de subsistencia de la familia campesina y del sector productivo que tienen como escenario de sus actividades estas áreas no urbanas. De igual manera, se afectan ostensiblemente las actividades dedicadas a la producción de alimentos que requieren aportes energéticos de diversa índole: preparación del terreno, plantación, riego, abono, recolección, transporte, procesamiento, conservación, cría, engorde y levante de animales. Un aspecto que agrava la situación es la subcontratación que hacen las grandes empresas avícolas santandereanas, a granjas dispersas en las zonas rurales del departamento. Esto propicia la vocación mixta (avícola-ganadera semiestabulada o extensiva), actividades económicas que implican altas producciones de residuos orgánicos o estiércol en volúmenes constantes y periódicos. En el caso específico del estiércol, las granjas no cuentan con el espacio suficiente ni con el tiempo para el desarrollo de procesos de compostaje (entre 45 y 60 días). Una (1) vaca de 500 kilos puede producir aproximadamente 34 kilogramos de estiércol diarios; dimensionando esto a un número mayor de cabezas, la producción se incrementa a tal punto que se hace inconcebible no utilizar una tecnología de aprovechamiento biológico como el compostaje [9]. Algo similar ocurre con las gallinas o pollos, donde por un (1) animal de 1,5 kilos, el estiércol producido diario oscila alrededor de 0,02 kilogramos; aumentando esta cifra a granjas con vocación avícola donde el número de pollos puede ascender a más de 20.000 la producción de estiércol, cuestión que requiere atención ágil y en tiempos cortos para su disposición final [8][9][11] para mantener una estabilidad costo beneficio que permita optimizar la eficiencia de todas las granjas (sean holísticas o no) y estén estructuradas alrededor de la viabilidad de recursos (agua, energía, nutrientes, aire y suelo) [9][10][12][13]. A pesar de que una de las posibles alternativas para incrementar la eficiencia de las granjas es la producción de biogás a partir de los residuos; como una fuente renovable de energía muy versátil, que puede ser utilizada para reemplazar las fuentes de energías fósiles, [12][13] son pocos los empresarios del campo que conocen o se motivan a implementar estas opciones en sus fincas. Además, aunque en principio cualquier materia orgánica puede ser fermentada o biodigestada, sólo aquellos sustratos líquidos y homogéneos pueden producir suficiente biogás para ser considerados como materia prima eficiente para la producción de energía [14]. Según Münster y Meibom (2011) [15] la conversión de residuos agroindustriales es interesante siempre y cuando se consideren dos perspectivas: el manejo de residuos y el sistema energético a implementar; para el caso de la producción de





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biogás, la implementación de biodigestores posee los dos beneficios, ya que es considerada una fuente de energía de bajo costo y que además uno de sus subproductos es un fertilizante de gran valor agregado [16][17]. Sin embargo es necesario recordar que el proceso de fermentación es muy complicado y requiere de una supervisión tecnológica [18]. En la granja seleccionada para el trabajo de Maestría se evidencian problemas ambientales derivados del uso inadecuado del estiércol del ganado bovino y avícola; al disponerse directamente en el suelo se genera amoniaco, metano y óxido nítrico, gases contribuyentes del efecto invernadero GEI; Contaminación del suelo por contribuciones excesivas de nutrientes y microrganismos patógenos como el E-coli. Por escorrentía y filtración se da una contaminación de fuentes hídricas presentando una amenaza para las personas de la granja que consumen el agua de estas fuentes. Otro factor considerado dentro de la problemática ambiental de la granja es la posibilidad de intoxicación del ganado por altas concentraciones de nitritos y nitratos en el suelo.

Es evidente el problema ambiental. Las granjas de vocación avícola y ganadera en Santander enfrentan impactos ambientales ocasionados por la generación de estiércol; a pesar de que estos residuos pueden ser aprovechados a partir de un proceso de biodigestión, para que el biogás producido contribuya a suplir los requerimientos energéticos demandados por las actividades productivas de estos sitios.

3.2 DECLARACIÓN DEL PROBLEMA

Teniendo en cuenta lo anterior el problema se declara como el desaprovechamiento energético de residuos sólidos orgánicos en granjas ganadero-avícolas y la no valorización de los residuos agroindustriales para la obtención de biogás como aspecto fundamental en el mejoramiento de la eficiencia energética, además de permitir una integración holística ambiental.

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema para el aprovechamiento energético sostenible de una granja ganadero avícola a partir de la producción de biogás.





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4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar la composición fisico-química y microbiológica de los residuos orgánicos de ganado y aves generados en la granja.

Realizar los cálculos requeridos para el diseño del biodigestor.

Identificar la oferta energética derivada del proceso de biodigestión, estableciendo usos en actividades productivas de la granja.

Calcular los costos de implementación y operación del biodigestor.

5. MARCO REFERENCIAL

5.1 MARCO CONTEXTUAL

El trabajo de maestría está enfocado en una granja prototipo con vocación de ganadería bovina y avícola, ubicada en la vereda Corcovada, corregimiento La Tigra, Municipio de Rionegro del Departamento de Santander.





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Ilustración 1. Ubicación granja prototipo seleccionada Fuente: Google Earth

La granja denominada “La Fortuna” está compuesta por 112 cabezas de ganado (30 hembras, 80 crías, 2 machos sementales), 1 equino y 24.000 pollos (que rotan cada 45 días). La granja es subcontratista de una empresa avícola y el objeto del contrato es el levante de pollos. La empresa avícola paga a la granja una asignación mensual por el alquiler de galpones, alimentación, cuidado de los pollos y costo de servicios públicos en los que se incurra, específicamente el servicio de gas. En la granja se definen claramente dos procesos; el avícola y el ganadero. Cada uno con una entrada y salida derivada en un producto diferente; el avícola entrega como producto final un pollo adulto de 45 días y peso aproximado de 2.700 gr cada pollo; el proceso ganadero deriva en la producción de 160 lt/día de leche para comercialización y venta de 40 terneros de 100 kilos cada uno, cada 18 meses. 5.1.1 Proceso avícola

Ilustración 2. Proceso avícola

Fuente: elaboración propia

Recepción de Pollitos. Se reciben de empresa avícola contratante cajas con 24.000 pollos de un día (1) de nacidos.

Ubicación en galpones. Los pollitos se ubican en dos (2) galpones de 2.475 mt2 cada uno; los galpones están construidos con ladrillos, malla y techo de zinc, el piso es de tierra y cubierto con tamo de arroz para garantizarle al pollo una adecuada temperatura (Ver ilustración 3).

Ilustración 3. Galpón granja La Fortuna

Recepción

pollitos

Ubicación

en galpones Levante

de pollos

Incubación Entrega y

salida de

pollos





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Autora: Nadia Mantilla

En cada galpón se disponen comederos elaborados en metal y bebederos en plástico. Cinco (5) días posteriores al ciclo del pollo y antes de la recepción de un nuevo lote de pollitos, se realiza la limpieza del galpón. La limpieza inicia de forma manual, con pala retiran la pollinaza, entendida como la mezcla de estiércol de pollo y tamo de arroz [73] del galpón y la depositan en un espacio de 25 m3, aledaño al galpón para el proceso de compostaje, por cada jornada de limpieza se recogen en total, por los dos (2) galpones, 700 bultos de pollinaza de 40 kilos. Después de recogida la pollinaza se lava cada galpón con un desinfectante y se acondiciona nuevamente el piso del galpón con el tamo de arroz.

Compostaje. Realmente no es un proceso de compostaje, lo que se hace es amontonar el material y dejarlo al aire libre por un lapso de tiempo de 40 días, posterior a este tiempo y una vez compostada la pollinaza se empaca en bultos, para recoger los 700 bultos de 40 kilos (por el ciclo de 45 días del pollo), es decir 28.000 kilos, que posteriormente se comercializan. La pollinaza es comercializada a un valor de $2.000 bulto (Ver illustración 4).

Ilustración 4 . Almacenamiento pollinaza compostada granja La Fortuna


Para la ventilación del espacio se ubican en los galpones 22 ventiladores de 1 Hp (11 en cada galpón) que permanecen prendidos durante 12 horas diarias. La iluminación de cada galpón se da a través de 20 bombillos (40 bombillos por los dos galpones) de 20 Vatios, que duran encendidos durante 12 horas en la noche, siempre y cuando el pollo no hubiese comido (Ver ilustración 5).





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Ilustración 5. Ventilación galpón granja La Fortuna


Incubación (Ver ilustración 6). Se tienen acondicionadas 12 criadoras (lámparas que producen calor) por galpón que permanecen prendidas los 12 primeros días del pollito; las criadoras funcionan con energía proporcionada con gas propano, en promedio se usan 7 cilindros de gas de 100 lb cada uno, por galpón (Ver ilustración 7), durante el ciclo de levante del pollo. En total, 24 criadoras consumen 14 cilindros de gas de 100 lb cada uno en el periodo de incubación del pollito. El servicio de suministro de gas para la actividad de incubación representa un costo mayor, aproximadamente se paga un valor de $2.000.000 mensuales.

Ilustración 6. Incubación galpón granja La Fortuna






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Ilustración 7. Cilindros de gas granja La Fortuna


Levante de pollos. El pollito ingresa de un (1) día de nacido al galpón, a partir de ese momento es incubado con criadoras por 12 días. El lote de pollitos recibidos dura un ciclo de 45 días para convertirse en pollo adulto y ser entregado a la empresa avícola contratante.

La alimentación del pollo es suministrada diariamente, en horas de la mañana, hasta el día 12 del pollo se consumen 6 bultos diarios de concentrado, después donde se considera que el pollo ha crecido se requieren 81 bultos diarios de alimento. El régimen alimentario del pollo durante las etapas de crecimiento y engorde se basa en concentrado, del cual se desconoce sus componentes, ya que es suministrado por la empresa avícola contratante. No se les suministra directamente ningún tipo de medicamento, si lo consumen es a través del concentrado (Ver ilustración 8 y 9).

Ilustración 8. Alimentación pollos granja La Fortuna






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Ilustración 9. Régimen alimentario granja La Fortuna


Los pollos consumen durante su permanencia en los galpones, 300.000 litros de agua, es decir 6.680 litros de agua diarios. Es agua es obtenida de un jagüey que brota en la granja, del jagüey se capta por medio de una (1) motobomba de ½ Hp y es conducido con manguera hasta dos (2) tanques de 1.000 lt cada uno, de los tanques se bombea con dos (2) motobombas de ½ Hp hasta los galpones. Durante las primeras tres (3) semanas del pollo en el galpón las motobombas son encendidas por 3 horas diarias una (1) vez a la semana, en la semana 4 son encendidas por el mismo tiempo, dos (2) veces por semana. De la semana 5 en adelante se encienden por las 3 horas, 3 veces por semana.

Entrega y salida de pollos. Los pollos que han trascurrido el tiempo de levante, 45 días, se entregan a la empresa avícola contratante para que esta continúe con el sacrificio de las aves.

Apoyo energético al proceso

- Planta de ACPM. Una planta eléctrica de ACPM, de capacidad de 5 galones, la cual es usada en caso de corte de energía eléctrica. Es una planta exclusiva para los galpones.

- Transformador. El proceso avícola cuenta con un transformador de uso exclusivo para sus actividades, el transformador suministra la energía eléctrica requerida para el funcionamiento de las motobombas, ventiladores y bombillos.

5.1.2 Proceso ganadero

Alimentación Ordeño Engorde de

crías





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Ilustración 10. Proceso ganadero

Fuente: elaboración propia

La ganadería de la granja es de tipo semiestabulada, se manejan 3 tipos de razas: simental, Gyr y pardo; de los 112 animales en total, 80 permanecen en establos por un tiempo de 8 horas al día, en este lapso de tiempo son alimentados con pasto de corte de tipo braquiaria, estrella y cuba 22, mezclados con alguna enzima o proteína extra (eventualmente es pollinaza compostada). Los 32 animales restantes corresponden a 30 vacas en periodo de gestación y 2 machos sementales, las cuales se dejan pastar en potreros. El régimen alimentario del ganado en el establo es pasto de corte mezclado con proteína (pollinaza compostada, levadura de cerveza), sal y melaza. Los 112 bovinos de la granja son distribuidos así, 30 vacas ( 17 de raza Gyr y 13 de raza pardo), en periodo de gestación por primera vez con un peso vivo en promedio 450 kilos, 2 machos sementales de 650 kilos de raza simental y Gyr y 80 crías para levante con peso promedio de 275 kilos. De acuerdo a la información primaria mientras permanecen en establos las 80 crias generan 900 kg de estiércol diarios, material orgánico que es apilado manualmente en espacio abierto para su secado natural. Una vez seco el estiércol se esparce en los potreros. Para definir la cantidad de estiércol se recolectó de forma manual con palas en balde y se pesó en balanza de gancho analógico. Después de las horas en el establo, el ganado es trasladado a potreros. La actividad ganadera de la granja está enfocada en la producción lechera, en donde se contempla el ordeño de vacas, la refrigeración de la leche a comercializar; y el engorde de crías para posterior comercialización.

Apoyo energético al proceso

- Cerca eléctrica con impulsor de electroshock con postes ubicados cada 12 metros; la cerca se alimenta de 110 V, consumo de 0,045 amp y baja impedancia.

Dentro del proceso ganadero y avícola se identifican especies con tratamiento medicinal y con sustancias químicas, para estos casos se procede a establecer la necesidad de identificar el ganado o aves intervenidos con estas sustancias para excluirlas temporalmente en el momento de la ingesta, del proceso de biodigestión.





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5.2 MARCO TEÓRICO

El trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola se enmarca en el contexto de Sistemas Energéticos Avanzados como: 5.2.1 Teoría Energías Renovables. Entendida como fuentes de energía no convencionales; son esos recursos de energía renovables ambientalmente sostenibles, pero que en el país no son empleadas o son utilizadas de manera marginal y no se comercializan ampliamente, ejemplo: la energía eólica, la energía solar, la geotérmica, los mares, los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos y la biomasa, la cual corresponde a la fuente energética de este trabajo de maestría [19]. 5.2.2 Teoría de la Biodigestión. En este trabajo de maestría se busca una alternativa como la producción de biogás viable y eficiente para el aprovechamiento energético de una granja. Un adecuado proceso de biodigestión puede proporcionar el combustible, biogás, para suplir las necesidades energéticas rurales e inclusive dar cobertura a actividades de tipo productivo. Desde la antiguedad el uso de gas a partir de material orgánico es una práctica que siempre ha intentado suplir necesidades energéticas. Los antiguos persas observaron que las verduras al pudrirse generaban un gas inflamable, en 1.776 Alessandro Volta recogió gas del Lago de Como para examinarlo, sus hallazgos mostraron que la formación del gas dependía de un proceso de fermentación y que puede derivar en una mezcla explosiva con el aire. El físico inglés Faraday también realizó algunos experimentos con el gas y lo identificó dentro del grupo de hidrocarburos. Un poco más tarde, alrededor del año 1.800, Dalton, Henry, y Davy first describen la estructura química del metano [20]. En la segunda mitad del siglo XIX se inició en Francia la investigación sobre el proceso de digestión anaerobia para la producción de gas. En este estudio se detectaron microorganismos que hoy en día se sabe que son esenciales para la fermentación [21]. Louis Pasteur trató de producir biogás en 1.884 a partir de estiércol de caballo recogido de las calles de París, alcanzó a producir 100 litros de metano a partir de 1 m3 de estiércol fermentado a 35°C [20]. Los biodigestores han sido adoptados principalmente por países en desarrollo, como Colombia, Etiopía, la República Unida de Tanzanía, Vietnam y Camboya [22]. El bajo costo y la posibilidad de uso de materiales locales han sido el atractivo principal de esta solución a residuos de tipo agropecuarios en zonas rurales.





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Desde los años 80 estudios han revelado que el 76,4% de la energía bruta consumida en las zonas rurales de Egipto se origina a partir de energías renovables como la construcción de los residuos de cultivos y aprovechamiento de estiércol, mientras que el 23,6% de las necesidades se satisfacen con fuentes de energía convencionales [23]. En la actualidad los biodigestores se concentran en países en desarrollo, con más de cinco millones construidos en países como India y China. Los digestores construidos alrededor del mundo varían en su complejidad de diseño, materiales de construcción y costos. En los países en desarrollo, muchos de los digestores no mezclan sus componentes, no requieren supervisión continua, y son adaptables a cualquier clima tropical [24]. La digestión anaerobia es el proceso de descomposición natural de material orgánico (residuos animales y vegetales) en ausencia de aire, de donde se genera gas y lodo [11]. El gas resultante en este proceso se conoce como biogás. La digestión anaerobia es un método eficaz para convertir los residuos de la ganadería en: biogás (rico en metano), que se puede utilizar para generar calor o electricidad; durante este proceso el 30 a 60% de la materia orgánica es convertida en biogás. Para llevar a cabo la digestión anaerobia se utiliza como elemento un biodigestor. En países como los del Reino Unido es muy frecuente el uso de pequeños digestores en granjas para la producción de biogás en procesos que involucran calor y enfriamiento como lecherías [11]. El biodigestor es un dispositivo hermético, que actúa en condiciones libres de oxígeno y con temperaturas adecuadas, entre 20ºC y 35ºC [9] para favorecer situaciones de fermentación y descomposición de materia orgánica mediante bacterias que producen, finalmente, el biogás [25]. El estiércol puede ser mezclado con agua para ser alimentado al digestor en relación de 10 a 1 [11].





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Ilustración 11.Digestión anaerobia

Fuente: emaze – energizar [29]

El proceso de digestión anaerobia puede darse de dos formas: mesófila, que es cuando la temperatura de digestión oscila entre 30 y 35ºc con permanencia en el biodigestor de 15 a 30 días; y termófila, cuando la temperatura es mayor que la anterior (llega a un promedio de 55ºc) con tiempo de residencia en el biodigestor de 12 a 14 días. Esta última tiene un rendimiento y producción de metano más alto que la mesófila pero requiere mayor control y monitorización [24].

Ilustración 12.Fases de digestión anaerobia.

Fuente: Residuos solidos urbanos [67].

De la digestión anaerobia se obtiene como producto el biogás, mezcla de gas producido por arqueas metanogénicas que transforman material biodegradable en condiciones anaerobias (biogás), está compuesto de 60 a 80% de metano, 30 a 40% de dióxido de carbono (gas carbónico) y trazas de otros gases, como nitrógeno 1 a 2%, ácido sulfhídrico 0 a 1%, monóxido de carbono 0 a 1,5%, hidrógeno 5 a 10%, oxigeno 0,1% y vapor de agua 0,3%. El biogás tiene un poder calorífico entre 4.500 y 6.500 kcal/ m3, una temperatura critica de 82,5ºc, presión critica de 673,1 psi, con solubilidad baja en agua y densidad de 1,09 kg/m3 [25]. El metano determina el poder calorífico, la producción y la rentabilidad del biogás por ser el de mayor porcentaje, generado en la digestión anaerobia [26]. El porcentaje de metano, la producción de biogás y su rendimiento se presentan en las tablas 1 y 2 (Ver tabla 1 y 2).

Tipo de sustrato/estiércol Producción de biogás (m3/t)

Vacas 25





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Cerdos 40

Pollos 65

Personas 30

Restos agrícolas 100

Restos de comida 220

Grasas de cocina 600 Tabla 1 Rendimiento de Biogás para distintos tipos de estiércol

Fuente: [26]

Tipo de estiércol Vacunos Porcinos Pollos

kg estiércol/día*animal-1

23,587 3,401 0,0454

Biogás (m3)/kg estiércol

0,023 – 0,040 0,040 – 0,059 0,065 – 0,116

Biogás (m3)/kg animal*día-1

3,13 * 10-3 4,77 * 10-3 5,51 * 10-3

Peso del animal (kg)

500 70 2

Biogás (m3)/animal*día-1

1,565 0,334 0,11

Energía (kcal)/animal*día-1

8.295 1.170 583

Tabla 2 Producción de biogás para varios tipos de estiércol/sustratos

Fuente:[26]

El tipo de sustrato, los diferentes parámetros ambientales, la velocidad de carga volumétrica y el tiempo de retención, constituyen los factores que pueden llegar a afectar los microorganismos presentes en la producción de biogás. La agitación o proceso de mezcla en un proceso de biodigestión es fundamental para garantizar la uniformidad del material orgánico y el cubrimiento total del biodigestor. Para poder identificar las condiciones del sustrato es preciso conocer la actividad metanogénica. Este proceso indica la capacidad de la biomasa para transformar la materia orgánica en metano; se define como la masa de sustrato en forma de DQO(Demanda Química de Oxígeno) que es convertida a metano por unidad de masa de biomasa y por unidad de tiempo, se expresa en: gDQO- CH4/gSSV día. La actividad metanogénica se mide bajo condiciones de saturación de sustrato. Se adicionan micro y macronutrientes, una solución buffer para mantener el pH cercano a 7, mientras que su incubación puede hacerse con o sin agitación, a una





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temperatura de 30°C y 35°C. En estas condiciones los microorganismos presentes en el estiércol podrán llevar a cabo la transformación del sustrato. El resultado obtenido del análisis de lo mencionado anteriormente cuantifica la capacidad microbiana o consorcio microbiano para generar metano [78]. Ciertos parámetros ayudan al proceso metanogénico y hacen parte de una caracterización del sustrato, estos son: temperatura (T), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), conductividad, alcalinidad, nitritos y nitratos, fosfatos, sulfatos, humedad, materia orgánica, hierro, pH, oxígeno disuelto, relación carbono – nitrógeno. Estos parámetros ayudan a conocer la capacidad que tiene el sustrato para generar metano. Particularmente en cuanto a procesos de biodigestión de estiércol vacuno o avícola, con su caracterización se puede estimar la carga de digestor y la producción de biogás. La carga volumétrica es el volumen de material orgánico que es cargado en el biodigestor diariamente, y está afectada directamente por la dilución utilizada en relación inversa con el tiempo de retención [26]. Se ha determinado en diferentes estudios técnicos que se requieren de 2 a 3 cabezas de ganado vacuno o de 90 a 100 aves para producir un metro cúbico de biogás, para estimar un comparativo se puede expresar que una granja pequeña doméstica se alimenta con una carga del digestor de hasta 1,5 m3/día [11]. El tiempo de retención de la carga depende de las condiciones de temperatura y de la tasa de reproducción de las arqueas metanogénicas, encargadas de la fermentación del metano que saldrán con los efluentes del biodigestor [26]. La producción de biogás a partir de la digestión anaerobia se ve amenazada por unos compuestos inhibidores, que deben ser controlados en el proceso de operación de la biodigestión. El amoniaco es el más tóxico de los inhibidores, afecta la producción de metano, disminuye el pH y en un 50% la acción de las arqueas metanogénicas. Los sulfatos también promueven una inhibición primaria causada por la competencia por los sustratos de bacterias reductoras y una inhibición secundaria debido a la toxicidad de los sulfuros para los diferentes grupos de microorganismos [16]. En la literatura se han presentado diversos tipos de biodigestores, algunos de ellos se presentan a continuación: Tipo Hindú. Es alimentado por estiércol de animales [23]. 15 a 25 días de retención [27]. Tambien llamado canopy flotante, consiste en un tambor que antes se hacia con acero dulce y actualmente es fabricado en plástico reforzado con fibra de vidrio.





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Ilustración 13. Tipo Hindú

Fuente:[18]

Tipo Chino. Utilizado principalmente con residuos agrícolas [18]. 30 – 60 días de retención [27]. Tambien llamado de domo fijo, es una cámara hermética construída de ladrillos, hormigón o piedra [22].

Ilustración 14. Tipo Chino

Fuente: [18]

Biodigestor discontinuo y continuo. Mezcla total y de contacto [26].





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Ilustración 15. Tipo Discontinuo y continuo

Fuente:[26]

Biodigestor con desplazamiento horizontal. La materia orgánica diluida circula en flujo pistón [26].

Ilustración 16. Tipo Discontinuo y continuo

Fuente:[26]

Biodigestor de polietileno [22]. Se caracteriza por ser de materiales flexibles de bajo costo, originalmente se utilizó el nylon y neopreno, poco después fue remplazado el material por una mezcla entre el PVC y residuos de refinería de aluminio y actualmente es construido en polietileno [22].





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Ilustración 17. Biodigestor de polietileno

Fuente:[27] y [22]

El biodigestor de tubos de polietileno de bajo costo inició en Taiwan en el año 1.960 utilizando el nylon, en la década de los 70 se propuso un modelo tubular de flujo continuo flexible basado en el "barro rojo PVC" diseño de la bolsa por Pound, Bordas y Preston en 1.981 [28] para después ser remplazado por polietileno por primera vez en Etiopía y en Vietnam donde el auge se dio por parte de los agricultores, hoy en día 18.000 plantas de biogás existen desde el año 2.005 y otras 150.000 fueron construidas en 2012 [20]. A continuación, en Colombia se instaló en el año 1.986 y siguió funcionando hasta 1.995, cuando se cambió la membrana / film plástico; desde 1.986, cerca de 30 biodigestores por año de este tipo se han instalado [11]. Se debe establecer un método de recolección y carga del estiércol desde el sitio de la generación hasta la ubicación del biodigestor, de manera tal que se cumpla con estándares de cantidad y frecuencia de recolección. Una vez dispuesto en el lugar de aprovechamiento debe adecuarse un sitio de recepción, dosificación y entrada del material orgánico al biodigestor. Posteriormente se inicia el trabajo del biodigestor, compuesto de un reactor y en donde se proveen las condiciones para el desarrollo del proceso de producción del biogás. Para lograr un proceso de aprovechamiento energético a través de la producción de biogás es preciso tener consolidado un esquema de recolección de los residuos, biodigestor o reactor, almacenamiento para el gas y tubería de conducción. El diseño y la estructura del biodigestor deben ajustarse a las condiciones locales de temperatura, recursos económicos disponibles, características del estiércol, proceso de mezcla, espacio disponible, energía que se quiere obtener, etc. En Costa Rica se han evaluado siete biodigestores que utilizan estiércol bovino y porcino, de bajo costo, para el tratamiento de aguas residuales de animales y producción de biogás. Los resultados obtenidos han identificado valores de hasta





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66% de metano presente en el gas producido, y han resuelto requerimientos energéticos para la preparación y cocción de alimentos en zonas rurales. Asimismo el efluente del proceso de biodigestión presenta caracteristicas de bajo olor y altas concentraciones de oxigeno disuelto que lo hace apto como fertilizante orgánico [24]. Los siete biodigestores evaluados están construidos del mismo material (modelo plástico polietileno) pero difieren en longitud, fuente y manejo de material organico y aguas residuales. Los objetivos principales del estudio de biodigestores realizado en Costa Rica son poder determinar las características en el proceso de tratamiento de las aguas residuales del estiercol que deben ser monitorizados en el futuro e identificar la variabilidad de los parametros de la calidad del agua y la concentración de metano entre los diferentes digestores [24]. Nepal, un país en desarrollo, tiene 145.000 plantas de biogás para una población de aproximadamente 20 millones, está catalogado como el país con el mayor número de plantas de biogás por habitante [29]. En la India se estima que existen 2,5 millones de plantas de biogás con tamaño medio que generan de 3 a 10 m3. Esta cantidad se considera suficiente para abastecer a una familia campesina promedio, con 4 vacas, y necesidades energéticas para cocinar, calentar e iluminar [29]. En los países de América Latina, por ejemplo, Argentina, Perú, Brasil, Chile y México, la implantación de plantas de biogás es más reciente. Las construcciones son simples similares a las de Asia, con un volumen de reactor de 2 - 10 m3 [29]. El biogás tiene un valor energético alto y puede transformarse en electricidad o calor; además los subproductos (desechos, lodos) poseen riqueza de nutrientes y capacidad de fertilización de suelos [26]. El uso del biogás producido puede estar direccionado al aprovechamiento de energía térmica en estufas de gas, energía mecánica en motores de explosión, iluminación con lámparas de gas y producción de fertilizantes [11]. Con el biogás se disminuyen los consumos energéticos pues se genera energía y se reemplazan de combustibles fósiles contaminantes (Ver tabla 3).

Recurso Población Rendimiento del potencial de metano (m3/día)

Salida de electricidad potencial al año (TWhe/año)

Ganado 12,200,000 5,700,000 6,2

Cerdos 7,900,000 800,000 0,9

Aves 124,000,000 1,000,000 1,1

TOTAL 8,600,000 9,4 Tabla 3 Potencial energético





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Fuente: [11]

El biogás como combustible tiene una eficiencia del 60 - 70% con un valor de calentamiento de 5.513 kcal/m3. Si se conoce el tipo de material de desecho a utilizar, y la cantidad y calidad de dicho material, se puede calcular la producción de biogás. En el caso de desechos animales, las cabezas necesarias para producir un metro cúbico de biogás al día, que equivale a 2,2 kilovatios/hora son: 2 a 3 cabezas de ganado vacuno de 500 kilos cada una, 5 a 6 cabezas de ganado porcino de 50 kilos ó 90 a 100 aves de 2 kilos. Con una planta de biogás puede producirse: Energía térmica en una estufa de gas, energía mecánica en un motor de explosión, iluminación con una lámpara de gas y producción alterna de fertilizantes [11] (Ver tabla 4).

EQUIPO – GASODOMÉSTICO CONSUMO DE BIOGÁS EN m3/hora

Estufa de cocina 0,150 – 0,200

Fogón para cocinar alimentos o frutas 0,300

Lámpara de gas equivalente a una bombilla de 60 W

0,100

Calentadores para lechones o cría de levante

0,250

Calentadores para cría de pollos 0,150

Motor biogás – diesel por b.h.p 0,420

Producción de 1 kWh de corriente eléctrica con una mezcla biogás diésel

0,700

Tabla 4 Consumo de biogás por gasodoméstico

Fuente: [11]

Revisando la generación de residuos orgánicos producto de aves y ganado se evalúa la producción del biogás para suplir requerimientos energéticos propios de la granja, como la incubación de pollos, la cual es alimentada actualmente con gas natural. Se hace relación a fuentes de energías renovables ya que parte de la iniciativa es beneficiar el medio ambiente y aprovechar materias primas para la producción de energía, propias de la actividad económica de la granja como los residuos animales orgánicos. Las fuentes de energía renovables están presentes y sólo requieren la transformación a una energía útil, lo que implica ciertas manipulaciones y desarrollo tecnológico que pueda hacer posible la captación, transformación y uso.

5.3 MARCO CONCEPTUAL





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En cuanto a conceptos fundamentales para el desarrollo del trabajo de maestría Aprovechamiento energético de una granja ganadero-avícola, se tienen entre otros: Se plantea el trabajo dentro de la línea de investigación de las energías renovables, entendidas éstas como las energías que se aprovechan directamente de recursos considerados inagotables como el Sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación, la biomasa o el calor del interior de la Tierra [11]. En este caso la biomasa es el recurso sobre el cual se desarrolla el aprovechamiento (estiércol) utilizando la tecnología de la digestión anaerobia, teniendo como base el elemento del biodigestor y esperando como producto final el biogás combustible [29]. Otro concepto que enmarca el presente trabajo de maestría es el de Estiércol. Se considera un residuo que contiene sólidos de menos de 3% y heces fecales de los animales. En general el estiércol posee un contenido de sólidos de 8% a 25%, dependiendo del tipo de animal [11]. Por supuesto es inevitable abordar una de las alternativas más utilizadas en el ámbito mundial: el biogás [30] mediante la digestión anaerobia de materia orgánica como estiércol animal, residuos de cultivos, aguas residuales domésticas e industriales [31]. El biogás es una fuente de energía renovable que posee la ventaja de ser una fuente amigable con el ambiente con un valor calorífico de medio litro de diésel no renovable (6kWh/m3) por lo cual posee el potencial de desplazar otras fuentes de energías tanto no renovables como renovables [32] Además, la implementación de este tipo de tecnologías posee varios beneficios ambientales [33] dentro los cuales se destacan: reducción en la contaminación hídrica, control en los riesgos de propagación de malas hierbas y enfermedades, además de la disminución de olores ofensivos. Otro de los beneficios ambientales asociados a la implementación de procesos de producción de biogás es el control en las emisiones de metano (gas efecto invernadero) y cuya disminución es una misión global de todos los países. Por otro lado, uno de los subproductos es una mezcla de agua y sólidos, los cuales pueden ser aplicados como abonos para la recuperación de nutrientes en suelos bajo altos regímenes de explotación agrícola [11]. En el presente documento se entiende como avicultura aquellas actividades de cuidado y crianza de aves (pollos y gallinas) [34]. La ganadería se define como la actividad de cría y manejo de animales bovinos (cebúes y taurinos) con fines de producción para su aprovechamiento [34]. En avicultura, aproximadamente por cada kilo de alimento consumido, un pollo produce alrededor de 1,1 a 1,2 kg de deyecciones frescas con el 70 u 80% de humedad. En deyecciones totalmente secas ello supondría unos 0,2 a 0,3 kg por ave y por kilo de alimento consumido [70]. Actualmente se estima que una granja





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avícola promedio produce alrededor de 150.000 aves por ciclo y 507 toneladas de pollinaza o estiércol seco. Para el caso del ganado, una vaca de 650 kg, estima su producción de estiércol semanal en 150 kg [4]. La disposición del estiércol del ganado en diferentes zonas rurales de Colombia evidencia la continuidad en prácticas tradicionales (disposición directa en el suelo de estiércol bovino y equino), que posee un impacto negativo sobre el ambiente y la salud de los diferentes asentamientos humanos cercanos a las áreas de producción agroindustrial. Debido a esto, el ICA (Instituto Colombiano agropecuario) definió una serie de resoluciones como la 189 de 2.005 y la 1.937 de 2.003 [35],donde plantea la necesidad de un proceso de sanitización de la pollinaza. El tratamiento térmico, químico o biológico permite esta sanitización que lleva la eliminación de agentes infectocontagiosos para animales y seres humanos [36]. La práctica más común para el aprovechamiento del estiércol en Colombia es el compostaje. Esta técnica busca la biotransformación del material para llegar a la producción del abono a través de microorganismos de descomposición. El compost tiene características homogéneas, con apariencia diferente al material de inicio, humedad y temperatura controladas y estabilidad química. En el ciclo del compostaje, el producto final tendrá aportes químicos y de nutrientes en el suelo. El compostaje tiene múltiples beneficios ambientales, se aprovechan los residuos orgánicos, se disminuye el volumen a disponer en rellenos sanitarios, el compost es utilizado como restaurador o acondicionador de suelos, entre otros. Sin embargo, su uso es cuestionado porque requiere altos costos de creación y operación, representados en la construcción de obras civiles, acceso a servicios públicos para limpieza y aseo, mano de obra para la operación, espacio suficiente para el proceso, adecuación de pilas para almacenamiento y descomposición, herramientas y equipos; producción de olores desagradables, proliferación de vectores de contaminación y altos consumos de energía.

6. METODOLOGÍA

La metodología propuesta se apoya en estudios realizados en otras granjas con problemáticas similares; en la granja avícola La Rosita ubicada en la Mesa de Los Santos, Santander se propuso un biodigestor para 250.000 pollos, se analizaron dos propuestas de tipo de biodigestores: campana fija y balón de polietileno, siendo este último el de menor costo. En [76] se realizaron diseños experimentales en condiciones mesofílicas a biodigestores con agitación, alimentados con diferentes mezclas de pollinaza y gallinaza de la Empresa avícola Distraves.





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Este trabajo de maestría se orienta metodológicamente por un enfoque de corte experimental, que culmina con la presentación de un documento final que determino el aprovechamiento energético sostenible de los residuos sólidos de aves y ganado en procesos industriales en una granja prototipo. Asimismo, se siguió este método para la realización de una caracterización fisicoquímica y microbiológica del estiércol de ganado y aves, producido en una granja seleccionada como prototipo, ubicada en el departamento de Santander. La caracterización y el análisis físico químico y microbiológico del estiércol del ganado y del pollo permiten comprobar si esta materia orgánica cumple con las características mínimas para la producción del biogás; identificar los niveles de los parámetros a medir en la caracterización nos permite conocer las sustancias en exceso o ausencia que puedan ralentizar el proceso de producción de biogás; la actividad metanogénica permite conocer el potencial de generación de metano del estiércol. El diseño del biodigestor del presente trabajo considera los parámetros técnicos requeridos para que el biodigestor sea de bajo costo y accequible para los propietarios de la granja; aunque se contempla con este trabajo de maestría disminuir los impactos ambientales y sociales de las prácticas actuales en el manejo del estiércol, no se definen indicadores de sostenibilidad para este estudio.

Diseñar un sistema para el aprovechamiento energético sostenible de una granja ganadero avícola a partir de la producción de biogás.

El método llevado a cabo en el trabajo de maestría se define:

Ilustración 18. Método del trabajo de maestría

Fuente: Elaboración propia.

1. Selección del sitio

2. Observación directa y registro fotográfico en sitio

3. Métodos de cuantificación

4. Toma de muestras

5. Validación con trabajadores

6. Diseño





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Las etapas metodológicas desarrolladas fueron:

6.1 SELECCIÓN DEL SITIO

Teniendo presente el inventario de granjas avícolas en Santander realizada por Fenavi [4], se seleccionó una granja prototipo de vocación avícola y ganadera, ubicada en el departamento de Santander. La granja escogida es una muestra representativa de una población con condiciones de producción, ambientales y económicas de las granjas de este tipo de la región, además se ajusta a los siguientes criterios:

Ubicación de fácil acceso y características climáticas, ambientales y sociales promedio de la región

Apoyo en la consecución y levantamiento de información primaria Interés en el trabajo de maestría Vinculación de una granja avícola con actividades ganaderas con número

suficiente de animales para la producción de biogás. Aunque sea una granja particular, que sirva de prototipo para granjas del

país con actividades económicas similares, previa adecuación de condiciones sociales, culturales, ambientales y normativas de cada contexto.

6.2 OBSERVACIÓN DIRECTA Y REGISTRO FOTOGRAFICO EN SITIO

Se realizaron visitas de campo a la granja seleccionada con el fin de conocer los procesos y actividades desarrolladas. Para la obtención de información primaria se tomaron datos de observación directa y registro fotográfico.

6.3 MÉTODOS DE CUANTIFICACIÓN

Se tomaron datos secundarios que constituyen el marco teórico del trabajo de maestría y se compararon con información cuantitativa tomada en sitio, correspondiente a consumos energéticos, cantidad, tipo de animal y características como peso y producción de estiércol de animales, peso de los animales, dimensionamiento del espacio.

6.4 TOMA DE MUESTRAS

En las visitas de campo a la granja seleccionada se realizó toma de muestras de estiércol que fueron llevadas posteriormente al laboratorio para análisis de parámetros fisico – químicos y microbiológicos. El muestreo se realizó de manera sistemática en tres jornadas, in situ, recogiendo una muestra de 5 kg de estiércol





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de pollo y 5 kg de estiércol de vaca. La toma de muestras es la etapa esencial para lograr la caracterización fisicoquímica y microbiológica de las excretas generadas por la producción ganadera y avícola

6.5 VALIDACIÓN CON TRABAJADORES

A partir de listas de chequeo y entrevistas a los trabajadores de la granja se validó la información identificada en etapas anteriores.

6.6 DISEÑO

El diseño comprendió el almacenamiento, tratamiento y distribución del Biogás y el cálculo del potencial energético resultante para los diferentes procesos productivos.

Para el desarrollo del trabajo de maestría se tomaron las 80 crías que se encuentran estabuladas con peso promedio de 275 kilogramos. Los 24.000 pollos se descartaron del proceso por considerar que su valoración en la venta de pollinaza es superior al rendimiento económico que se puede generar con la producción del biogás.

7. DESARROLLO DEL TRABAJO DE MAESTRÍA

7.1 DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN FISICOQUÍMICA Y MICROBIOLÓGICA DEL ESTIÉRCOL

La caracterización fisicoquímica y microbiológica del estiércol se desarrolló mediante muestreo sistemático, en donde se realizaron tres jornadas de toma de muestras de estiércol de ganado y pollos, separando cada material, recolectando en cada jornada al azar, in situ, una muestra de 5 kg de estiércol de pollo y 5 kg de estiércol de vaca. En tres días diferentes se recogieron tres muestras puntuales de estiércol bovino y de aves. Para la conservación, se almacenó y trasladó la muestra en condiciones refrigeradas, antes del análisis de laboratorio. En laboratorio se procedió a la caracterización y análisis de parámetros fisicoquímicos y microbiológicos de las muestras, determinando resultados por separado para el estiércol de vaca, estiércol de pollo y un análisis del estiércol combinado de estos dos animales. Las técnicas analíticas empleadas para la determinación de: temperatura, demanda química de oxígeno, conductividad, hierro, fosfatos, nitritos, nitratos, pH, relación carbono nitrógeno (C/N), ácido





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sulfhídrico, sulfatos, oxígeno disuelto utilizadas correspondieron a las descritas en el Manual de Procedimientos Standard Methods de agua y aguas residuales [37]. Los parámetros y métodos de análisis para las muestras de estiércol se describen a continuación:

7.1.1 TEMPERATURA

Para el cálculo de la temperatura se aplicó el método 2.550-B, Standard Methods para Medición de Temperatura, utilizando sonda multiparamétrica (Thermo Cientific Orión Star 5) [38]. El procedimiento se inicia encendiendo la sonda y se conecta cualquiera de las tres (3) opciones de medición por sonda (pH, conductividad, oxígeno Disuelto). Éstas miden automáticamente la temperatura en muestra, se introduce la sonda dentro de la muestra, se oprime la opción medir y se toma la lectura, cuando se mantenga el valor. Después se enjuaga el electrodo con agua destilada y se apaga el equipo.

7.1.2 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)

Se realizó la medición utilizando el método Standard Methods 5.220 C, Digestor-colorimetric [39]

7.1.3 CONDUCTIVIDAD

Se caracterizó utilizando el método 2.510 B para medición de conductividad por sonda multiparamétrica (Thermo Cientific) Orion Star 5 , Standard Methods 2.510 B Conductimétrico [40]. El procedimiento consistió en, una vez encendido el equipo, se conecta la sonda MiniDin de 8 pines a prueba de agua para conductividad. Se introdujo la sonda dentro de la muestra, oprimiendo la opción medir para posteriormente tomar la lectura junto con la temperatura, cuando se estabiliza el valor. Finalmente se enjuagó el electrodo, se apagó y se desconectó el equipo.

7.1.4 HIERRO

Método 8.008 PARA HIERRO TOTAL HACH DR/890 COLORÍMETRO. Reactivo: FerroVer®, STANDARD METHODS 3.500- Fe [41]. Dentro de procedimiento primero se selecciona y llena una celda con 10 ml de muestra, se añadió un sobre





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de FerroVer, Reactivo Hierro a la celda de la muestra. Se agita para mezclar. La precisión no se ve afectada por polvo no disuelto. Se Inicia el temporizador del instrumento. Al cabo de 3 minutos se observará una reacción, tornándose en color naranja, si el hierro está presente. Para la preparación del blanco: Se llena una segunda celda con 10 ml de la muestra y/o agua destilada, cuando culmine el tiempo, se limpia la celda del blanco y la inserta en el soporte de la celda del equipo. Se pone en cero el instrumento. La pantalla mostrará: 0,00 mg / l de Fe. Se insertó la celda de la muestra en el equipo y se leyeron los resultados en mg / l de Fe.

7.1.5 FOSFATOS

Método 8.048 PARA FOSFATOS HACH DR/890 COLORÍMETRO. Reactivo: PhosVer 3 (Ascorbic Acid), STANDARD METHODS 4.500 P B,E Método colorimétrico [42]. Se llena la celda con 10 ml de muestra, se añade el contenido de un sobre de PhosVer 3 fosfato polvo de almohada a la celda. Inmediatamente se agita durante 30 segundos y se inicia el temporizador del instrumento. Al cabo de 2 minutos se observa la reacción. La muestra se dirige usando el per sulfato digestión acida, con un periodo de reacción de diez minutos. Para la preparación del blanco: se llena una segunda celda con 10 ml de la muestra y/o agua destilada, cuando culmine el tiempo, se limpia e inserta la celda del blanco en el equipo. Se pone en cero el instrumento. La pantalla muestra: 0,00 mg / L PO4 3 –. Se limpia e inserta el preparado en el soporte de la celda. Se leen los resultados en mg / LPO4 3 -.

7.1.6 NITRITOS

MÉTODO 8.507 PARA NITRITOS HACH DR/890 COLORÍMETRO. Reactivo: NitriVer® 3, STANDARD METHODS 4.500- NO2 Método colorimétrico [43]. Se selecciona y llena una celda con 10 ml de la muestra. Se añade el contenido de reactivo nitrito NitriVer 3 Almohada Polvo, se agita para disolver. Si hay presencia de nitritos se observara una reacción con un color rosado en un periodo de 20 minutos. Preparación en blanco: Cuando termine el tiempo, se llena una segunda celda del equipo con 10 ml de muestra. Se limpia e inserta el blanco en el soporte de la celda del equipo. Se pone en cero el instrumento, la pantalla mostrará: 0,000 mg / l NO2- N





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Se limpia e inserta la celda de la muestra en el soporte de porta celda del equipo y se leen los resultados en mg / l NO2- N.

7.1.7 NITRATOS

Método 8.039 PARA NITRATOS HACH DR/890 COLORÍMETRO Reactivo: NitraVer® 5, STANDARD METHODS 4.500 NO2 Método colorimétrico [44]. En una celda se adiciona 10 ml de la muestra. Se añade el contenido de un sobre de NitraVer 5 Almohada en Polvo y se tapa. Se inicia el temporizador del instrumento, al cabo de un minuto, comienza la reacción, la celda se debe agitar. Si hay presencia de nitratos se torna en color ámbar. Preparación del blanco. Cuando se termine el tiempo, se llena una segunda celda con 10 ml de la muestra y/o agua Destilada. Se limpia e inserta el blanco en el porta celda del equipo Hach DR/890. Se pone en cero el instrumento. La pantalla muestra: 0,0 mg / l de NO3- N. Un minuto después de que termine el temporizador, se limpia e inserta la muestra preparada en la celda titular. Se leen los resultados en mg / L NO3- N.

7.1.8 pH

MÉTODO 4.500 H+ B, PARA MEDICIÓN DE pH POR SONDA MULTIPARAMÉTRICA (Thermo Cientific Orion Star 5), STANDARD METHODS 4.500 H+ B, Potenciométrico [45]. Se encendió el equipo y se conectó la sonda en conector BNC pH o ISE de referencia a prueba de agua para pH. Se introduce la sonda dentro de la muestra. Se oprime la opción medir y se toma la lectura cuando se estabilice el dato, junto con la de temperatura. Finalizando se enjuaga y cubre el electrodo con el protector, se adiciona agua destilada y/o solución para electrodo. Se apaga el equipo y se desconecta la sonda.

7.1.9 RELACIÓN CARBONO NITRÓGENO (C/N)

Se realizó la determinación de Carbono total mediante STANDARD METHODS NT Método colorimétrico y nitrógeno total con STANDARD METHODS NT Método colorimétrico [46].





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7.1.10 OXÍGENO DISUELTO

MÉTODO 4.500H+, STANDARD METHODS PARA MEDICIÓN DE OXÍGENO DISUELTO MEDIANTE SONDA MULTIPARAMÉTRICA (Thermo Cientific) Orión Star 5). STANDARD METHODS 4.500 H+ B, Potenciométrico [47]. En el procedimiento se conectó la sonda OD 9 pines a prueba de agua para conductividad. Se introduce la sonda dentro de la muestra y se oprime la opción medir, se toma la lectura cuando se estabilice el dato, junto con la temperatura. Finalizando se enjuagó y cubrió el electrodo con el protector, se adicionó agua destilada y/o solución para electrodo. Se apaga el equipo y se desconecta la sonda.

7.1.11 SULFATOS

MÉTODO 8.051 PARA SULFATOS HACH DR/890 COLORIMÉTRICO Reactivo: SulfaVer 4, STANDARD METHODS 4.500 SO4 [48]. Se inició seleccionando y llenando una celda con 10 ml de muestra, se añadió el contenido de un sobre SulfaVer 4 Reactivo a la celda de muestra. Se agita en forma circular para disolver el polvo. Si hay presencia de sulfato se forma turbidez blanca. En un tiempo de cinco minutos comienza la reacción. Preparación del blanco: se llenó una segunda celda con 10 ml de la muestra. Cuando el temporizador culmina, se limpia e inserta la muestra de blanco en el soporte de la celda. Se pone en cero el instrumento. La pantalla muestrá: 0 mg / l de SO42 -. A los cinco minutos después de que culmine el temporizador, se limpia e introdujo la celda con la muestra preparada en el soporte. Se leen los resultados en mg / L SO4 2 -. Se limpian las células de la muestra con jabón y un cepillo.

7.1.12 CARBONO ORGÁNICO TOTAL

STANDARD METHODS COT Método colorimétrico [50]

7.1.13 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO)

STANDARD METHODS 5.210 B [49] DBO 5 días





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7.1.14 ÁCIDO SULFHÍDRICO

Standar Methods S. Método colorimétrico [50] Otros parámetros analizados en la caracterización: determinación colomérica, humedad, materia orgánica, se basaron en metodologías de Hach y Normas Técnicas Colombianas del Icontec.

7.1.15 DETERMINACIÓN COLORIMÉTRICA MEDIANTE DR/890 DE HACH [51]

Se selecciona el programa. Se limpia el exterior de la muestras con una toalla húmeda seguida por una seca. Se insertó el blanco en el soporte de cubetas de 16 mm. Se pone en cero el instrumento. La pantalla muestra: 0 mg / l de DQO o 0,0 mg / l COD. Se insertó el vial en el soporte de cubetas y posteriormente se pone el cubre celdas, para evitar pasos de luz. Por último se oprime READ y se lee en mg/l de COD.

7.1.16 HUMEDAD

Se siguió la Norma Técnica Colombiana ISO 1.495. Suelos [52]. Ensayo para determinar el contenido de humedad de suelos y rocas, con base en la masa

7.1.17 MATERIA ORGÁNICA

Se siguió la Norma Técnica Colombiana ISO 5.167 [53].

7.1.18 ACTIVIDAD METANOGÉNICA

Para el ensayo de actividad metanogénica se utilizó la metodología de medición de CH4 por desplazamiento de líquido. Para esta prueba se emplearon recipientes de 0,5 litros y un sistema de desplazamiento de líquido [54]. El biogás producido se burbujea en una solución alcalina (de NaOH o KOH) con pH mayor que 12 en la cual el CO2, es absorbido y el volumen de gas metano desplaza un volumen igual de solución alcalina. La metodología requiere un montaje del sistema y seguimiento cuidadoso al ensayo. El volumen de líquido desplazado fuera de la botella de solución es el equivalente al volumen de metano generado por el sistema [54].





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7.1.19 MATERIALES Y REACTIVOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN

En la siguiente tabla se listan los materiales y reactivos utilizados:

Tabla 5 Materiales y reactivos utilizados

Fuente: Autora Nadia Mantilla

7.1.20 PROCEDIMIENTO PARA PREPARACIÓN DE SOLUCIONES

Solución de Oligoelementos sin sulfatos.

Para la preparación de 1L de la solución de oligoelementos sin sulfato se agrega en condiciones de aerobiosis, 1,5g ácido nitrilotriacetico ajustado previamente a un pH de 6,5 con KOH 1N, luego se adiciona 2,5g MgCl2*6H2O, 0,6g de MnCl2*4H2O, 1,0g de NaCl, 0,1g de FeCl2*4H2O, 0,1g de CoCl2*6H2O, 0,1g de CaCl2*2H2O,

MATERIALES Y REACTIVOS

REACTIVOS

K2HPO4 Solución de rezasurina Extracto de levadura Bio-tripcase Solución de oligoelementos Solución minera de Balch sin sulfatos Solución de vitaminas de Balch NaOH Cisteina NaHCO3 Hielo Seco Na2S Aceite mineral

MATERIALES

Venoclisis Agujas hipodérmicas 10cc, 5cc, 1cc Mangueras de Caucho Erlenmeyer de 1.000ml y 2.000ml Vidrio reloj Espátula Balón aforado de 1.000ml Vaso precipitado de 500ml Envases de suero Plancha de calentamiento





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0,1g ZnCl2, 0,01g CuCl2*2H2O, 0,01g AlCl3, 0,01g H3BO3, 0,01g NaMoO4*2H2O.[54]

Al finalizar la adición de todos los componentes se ajusta a un pH de 7,0 con KOH 1N y se almacena en refrigeración a 4°c hasta el momento de su utilización. Solución diluida de vitaminas Balch Inicialmente se ingresa en autoclave 1L de agua y posteriormente, se le agrega 2mg de biotina (VITH), 5mg de ácido p-amino benzoico (PABA), 0,1mg (VITB12), 5,0mg de Tiamina HCl (VIT B1), 5,0mg D.L. Pantotenato de calcio, 5,0mg acido nicotínico, 10,0mg de Piridoxina HCl (VIT B6)2,0mg de ácido fólico, 5,0mg de riboflavina (VIT B2) y 5,0mg de ácido lipídico para una preparación final de 1L.[54] Se almacena protegido de la luz en refrigeración a 4c, realizando intercambios de atmósfera con CO2. Solución mineral de Balch sin sulfatos En un litro de agua destilada se diluyen 6,0g de KH2PO4, 5,0g de NH4Cl, 2,1g de MgCl2*6H2O, 0,16g de CaCl2*2H2O y 12g de NaCl preparado en aerobiosis y almacenado a 4°C hasta el momento de su utilización [54]. Procedimiento Actividad Metanogénica. Para preparar el medio de la actividad metanogénica específica se agregan 50 ml de la solución mineral de Balch sin sulfatos, 10 ml de la solución de oligoelementos sin sulfatos, 0,3 gr de K2HPO4, 1,0 ml de solución de rezasurina, 0,1gr de extracto de levadura y 0,1 gr de Bio-tripcase. Se completa hasta 1L de volumen con agua destilada estéril, se ajusta el pH 7,0 unidades con hidróxido de sodio a 1N, se le agregan 200 ml de agua destilada adicional y se lleva a hervir hasta evaporar y quedar con un volumen de 1L, con el fin de obtener agua anoxioca. Se deja reposar a temperatura ambiente y se le agregan 2,0 gr de bicarbonato y 0,5 gr de cisteína [54][55]. Se agregaron 100ml de medio en cada vial y se llevaron 15 minutos al autoclave a 121 °Celsius. Inmediatamente después de la inoculación se agregaron 0,2mL de Na2S al 2,0%, 0,2mL de solución diluida de vitaminas Balch y se realizó intercambio de atmósfera con CO2.

Montaje de la actividad metanogénica específica Se inició el montaje el día 23 de octubre de 2.013. Se realizó un montaje por triplicado de la actividad metanogénica específica de las muestras de estiércol de pollo, vaca y una mezcla combinada de estiércol de pollo y vaca. Este montaje se





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realizó con el objetivo de determinar la cantidad de metano de cada una de las muestras [54][55].

Ilustración 19. Montaje de la actividad metanogénica (AME).

Fuente: [55]

Los viales fueron sellados y mantenidos bajo intercambios de atmósferas con CO2 para conservar las condiciones de anaerobiosis. Se realizó un montaje de 3 viales; número 1 se inoculó en medio AME las muestras (100gr. de excretas de Vaca, 100gr de excretas de pollo y en el último 100 gr de excretas de pollo más de vaca), por acción de la degradación de la materia orgánica en condición de anaerobiosis se comenzó a producir gas metano, que se desplazó por la venoclisis conectada a la boquilla del reactor 1 hasta el frasco que contiene 500 ml de NaOH (Reactor 2) (Ver ilustración 19). Por aumento de la presión en el frasco número 2 el medio liquido fue desplazado por la pajilla ubicada en su interior y trasportado por una segunda venoclisis hasta dejar caer su contenido en una probeta, donde se midió la cantidad de líquido desplazado por el gas en un determinado tiempo, y permitió estimar la producción de CH4 [54][55].

7.2 RESULTADOS DE LA COMPOSICIÓN DEL ESTIÉRCOL

La caracterización fisicoquímica del estiércol realizada en tres muestras, vaca, pollo y muestra combinada con una relación 1:1, arrojó como resultado los siguientes valores, trabajando con un peso de muestra de 10,2 gr:

7.2.1 MUESTRA N° 1. ESTIÉRCOL DE VACA





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Parámetro Valor

Temperatura ambiente 28 °C

Temperatura de la muestra

24,4 °C

Oxígeno disuelto 3,77 mgO2/L

pH 9,76

Conductividad 7220 µs/m

DQO 9650 mgO2/L

OD inicial 5,32 mg O2/L

OD final 3,28 mg O2/L

DBO5 3060 mg O2/L

Sólidos 20,7%

Nitratos 500 mgNO3-N/Kg

Sulfatos 2000 mg SO4/Kg

Hierro 10 mg/L

Fosfatos 170 mg OP/Kg

Nitritos 1 mgNO2-N/Kg

Nitrógeno Total 329 mg/L

Carbono orgánico total 69000 mg/L

Materia orgánica 3,6%

Sulfhídricos 8 mg/L Tabla 6 Resultados muestra N°1


7.2.2 MUESTRA N° 2. ESTIÉRCOL DE POLLO

Parámetro Valor


Temperatura muestra

24,8 °C

pH 12,04


DQO 14550 mgO2/L


OD final 4,16 mg O2/L

DBO5 3015 mg O2/L

Sólidos 27,5%



Hierro 100 mg/L







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Carbono orgánico total

79000 mg/L

Materia orgánica 8,2%

Sulfhídricos 4 mg/L Tabla 7 Resultados muestra N° 2


La muestra del estiércol de pollo analizada esta mezclada con el material utilizado para la cama de los pollos, en el caso objeto de estudio, es el tamo de arroz.

7.2.3 MUESTRA N° 3. COMBINADA ESTIÉRCOL DE POLLO Y DE VACA

Parámetro Valor


Temperatura 24,9 °C

pH 8,68


DQO 16550 mgO2/L


OD final 3,9mg O2/L

DBO5 2640 mg O2/L

Sólidos 18%



Hierro 100 mg/L




Carbono orgánico total

74000 mg/L

Materia orgánica 4%

Sulfhídricos 4 mg/L Tabla 8 Resultados muestra N°3


La temperatura ambiente es óptima, entendiéndose ésta como aquella que está en el rango 25 – 30°C y que podría estimar un tiempo de retención de 10 a 40 días en el biodigestor [9]. De otra parte las tres muestras identifican una temperatura mesófila (en promedio 24,6° C), considerando que la temperatura óptima para el crecimiento de bacterias





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metanogénicas es superior a 25ºC, según [56] la temperatura ideal oscila entre 32ºC y 42º C y [57] entre 25ºC y 30ºC se evidencia la necesidad de una adición de energía en forma de calor al proceso o considerar en los parámetros en los parámetros de diseño un mayor tiempo en el biodigestor, que podría oscilar en 30 días. El pH en las tres muestras demostró un carácter básico o alcalino con valores por encima de 7 – 7,2. El intervalo de pH óptimo para el crecimiento de los metanógenos es de 6,8 a 7,5 [9]. Por debajo de este valor puede retardar la acidificación y por encima del rango retarda la amonización [9]. Las muestras se pueden catalogar como salino - sódicas y el efecto de su aplicación directa para el desarrollo de una plantación determinaría fenómenos negativos en la fisiología de la planta y podría influir en las propiedades físicas al mezclarse con suelo; sin embargo como no será dispuesta en el suelo este criterio no aplica. Para disminuir los niveles de pH se debe tener presente en el diseño y operación del biodigestor la aplicación en la carga de aditivos para acidificar y lograr los niveles de pH óptimos. Los valores de fosfatos, nitritos, nitratos y sulfatos en las muestras, indican que pueden emplearse como fuente de nutrientes en condiciones limitadas de oxígeno. Un factor importante en la caracterización de materia prima con fines de producción de biogás es la relación carbono – nitrógeno. Para este caso se estima la relación de las muestras con valores estimados en diferentes fuentes bibliográficas.

Materia prima Carbono (% peso total)

Nitrógeno (% peso total)

C/N

Estiércol bovino fresco

7,3 0,29 25:1

Estiércol ovino fresco

16 0,55 29:1

Estiércol equino fresco

10 0,42 24:1

Estiércol porcino fresco

7,3 0,60 13:1

Tabla 9 Estimación relación C/N

Fuente: Asia Pacific Gasification [58]





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Relaciones C/N de varios productos residuales

Sustancia Relación C/N

Orina 0,8

Estiércol equino 25

Estiércol vacuno 18

Alfalfa 16-20

Algas marinas 19

Aserrín 511

Basura 25

Cáscaras de papa 25

Paja seca de trigo 87

Paja seca de arroz 67

Tallo del maíz 53

Hojas secas 41

Estiércol de aves 32

Pasto 27

Estiércol ovino 29

Estiércol de cerdos 13

Excretas frescas humanas 2,90

Tabla 10 Relaciones C/N de varios productos residuales

Fuente: tomado de [59], [60]

Para la muestra Nº 1 de estiércol de vaca se asume una relación C/N de 25:1; la muestra Nº2 de estiércol de pollo un valor 32:1, sin considerar que este valor puede ser superior por la mezcla del estiércol de pollo con tamo de arroz. Para la tercera muestra se considera un valor de 30:1. La relación C/N influye sobre la producción de biogás, siendo la relación adecuada entre 20:1 y 30:1 [61]. La materia orgánica identificada en las muestras y demás parámetros fisicoquímicos tienen valores aceptables que permiten la fermentación anaeróbica del proceso.

7.2.4 RESULTADOS CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA

En la caracterización microbiológica se evaluó el comportamiento metanogénico de las muestras y se determinó el volumen desplazado por metano así:

TIEMPO(DÍAS) VOLUMEN DESPLAZADO (ml) OBSERVACIONES





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Pollo Vaca vaca + pollo

23-oct-13 75 35 500

24-oct-13 720 1010 1350 se tomaron 3 lecturas (9:45AM, 11:50AM y

3:05PM)

25-oct-13 350 70 35

28-oct-13 546 1000 78 se tomaron 2 lecturas (9:20AM y 5:00 PM)

29-oct-13 500 350 20

30-oct-13 500 500 39

31-oct-13 500 500 54

1-nov-13 400 60 20

5-nov-13 500 500 90

TOTAL 4.091 4.025 2.186 Tabla 11 Comportamiento Metanogénico


Detallando el comportamiento de cada muestra en las diferentes lecturas se obtuvo:

Ilustración 20. Comportamiento metanogénico muestra pollo






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Ilustración 21. Comportamiento metanogénico muestra vaca


Ilustración 20. Comportamiento metanogénico muestra pollo + vaca


Tabla 12 Valores de DQO de los inóculos


DQO mg/L

INICIAL FINAL DIFERENCIA

POLLO 291000 1305000 1014000

VACA 193000 697000 504000

POLLO+VACA 331000 1421000 1090000





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7.2.5 FACTOR DE CORRECCIÓN (gDQO/L) [55]

K(t) = 𝑃∗𝑘

𝑅(273+𝑇) (1)

Dónde: • P=Presión atmosférica • K= Carga orgánica digerida correspondiente a un mol de CH4 • R= Constante de gases ideales • t= Temperatura en grados kelvin

K(t) = 680𝑎𝑡𝑚∗64𝑔𝐷𝑄𝑂/𝑚𝑜𝑙

0.08206𝑎𝑡𝑚∗𝑙/𝑚𝑜𝑙°𝐾(273+24℃) (2)

K(t)= 1785.6gDQO/mol

7.2.6 VOLUMEN TEÓRICO DE CH4 [55]

Se aplica la siguiente fórmula para cada uno de los experimentos.

VCH4=𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4

𝐾(𝑡) (3)

Dónde:

K(t)= Factor de corrección DQO CH4= Carga de DQO removida en R1 y convertida en metano (gDQO)

DQO mg/L

Muestras DQO FINAL

DQO INICIAL

REMOCIÓN %

DIFERENCIA VCH4 (ml)

Pollo 291000 1305000 77,70% 1014000 568

Vaca 193000 697000 72.30% 504000 282

Pollo+Vaca 331000 1421000 76.70% 1090000 610

Tabla 13 Porcentaje de remoción de materia orgánica


7.2.7 ACTIVIDAD METANOGENICA (AME) [55]





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Teniendo en cuenta la producción de metano, el cálculo de la actividad metanogénica específica (AME) se efectúa a partir de la siguiente expresión [78]:

𝐴𝑀𝐸 (𝑔𝐷𝑄𝑂

𝑔𝑆𝑇𝑉∗ 𝑑) =

𝑚 (𝑚𝑙𝑑í𝑎

) ∗ 24

𝑉𝐶𝐻4 (𝑚𝑙) ∗ 𝑀 (𝑔𝑟) (4)

Dónde:

m=Pendiente máxima en la curva producción de metano (volumen acumulado CH4Vs tiempo)

M=Cantidad de lodo adicionado en gramos 𝑉𝐶𝐻4 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎. 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

INÓCULOS AME

gDQO/gSVT*d

Pollo 0.0047

vaca 0.000111

Vaca+Pollo 0.02361 Tabla 14 Valores de la actividad metanogénica específica de los inóculos


Los análisis de la actividad metanogénica del estiércol, realizados en el laboratorio son fundamentales para conocer la producción de metano, comparar valores con fuentes secundarias y soportar el diseño del biodigestor. La caracterización permitió identificar algunas sustancias tóxicas y residuos como aceites y grasas, detergentes y otros residuos sólidos como arena, paja y tamo de arroz presentes en el estiércol, que deben ser retirados antes de ingresar al biodigestor. La presencia de tamo de arroz en el estiércol de pollo dificulta el proceso de aprovechamiento del biogás. De acuerdo al análisis de la composición fisicoquímica y microbiológica realizada, el estiércol de vaca tiene parámetros de temperatura, fosfatos, nitritos, nitratos, sulfatos y relación carbono/ nitrógeno adecuados para la producción del biogás. El pH si se identifica con carácter básico o alcalino con necesidad de aplicación de aditivos para acidificar y evitar el retardo de la amonización. El estiércol de la vaca de la granja La Fortuna tiene parámetros fisicoquímicos con valores aceptables para la fermentación anaeróbica del proceso de biogestión. Al estiércol del pollo se le identifica por los resultados obtenidos presencia de cal en la muestra.





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Al revisar los resultados de la actividad metanogénica del estiércol se deduce que la producción de metano es viable y puede soportar el diseño de un aprovechamiento a partir de un biodigestor.

7.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO

Se evaluó en la granja el espacio disponible y con mejores condiciones de accesibilidad para el sistema de biodigestión. Se definen tres limitantes en un proyecto de biodigestión, la disponibilidad de agua para dilución del estiércol, la disponibilidad de almacenar y cargar el biodigestor con estiércol y la apropiación de tecnología [25]. Para el caso de la granja en estudio, estos factores citados anteriormente son cubiertos, al contar con un espacio para ubicación del biodigestor muy cercano a las actividades ganaderas y avícolas, y con acceso al servicio de agua.

7.3.1 ALMACENAMIENTO DE ESTIERCOL

Se seleccionó un espacio con acceso a agua para la instalación de la cámara de entrada y mezcla del estiércol, aledaño al sitio seleccionado para el biodigestor. Se construirá una cámara en mampostería con tapa fácilmente removible, para evitar el escape de olores, mantener condiciones de seguridad e higiene en esta parte inicial del proceso, con dos compartimientos, en los cuales en un primer espacio se almacenará el estiércol. En esta primera cámara se adicionará, en caso de ser necesario, con una manguera, el agua requerida [62]. En un segundo compartimiento se realizará la homogenización del estiércol, con el agua adicionada, antes de ingresar al biodigestor. A la cámara se le instalará tubería de gres de 3” que permita el paso de un compartimiento a otro y la entrada al biodigestor.

La disposición de los residuos en el tanque de almacenamiento se realizará manualmente (usando carretilla y pala), dos veces al día. Esto garantizará que el material orgánico será fresco, con máximo 12 horas de generación. Asimismo se le adecua una rejilla para la retención de sólidos de mayor tamaño como ladrillo, troncos, grava, piedras, que puedan estar mezclados en el estiércol.

El número de animales en la granja es constante durante el año, lo que favorece la disponibilidad del material orgánico para el proceso de digestión.

Es importante el monitoreo diario de pH en el tanque de almacenamiento, para asegurar el rendimiento del gas y evitar desequilibirio en el material orgánico, para este fin se utilizarán cintas de pH.





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De acuerdo con la caracterización realizada en las muestras de estiércol, el pH del estiércol de vaca + pollo oscila en 8,68; por lo anterior es necesario disponer en el sitio donde se encuentre el tanque de aditivos como el sulfato de aluminio para aplicar una dosis de aproximadamente 0,5 kilogramos en el tanque para disminuir el pH y dejarlo en los rangos óptimos entre 6,8 y 7,5. No obstante se cuenta con un dato preliminar de pH, este parámetro será medido diariamente y de acuerdo a los resultados se tomará la decisión pertinente para estabilizarlo.

7.3.2 CANTIDAD DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Partiendo del número total de animales, en este caso 80 crías (que son las que permanecen semi estabuladas) y 24.000 aves y su peso promedio, 275 kg y 2 kgr respectivamente, además de los datos obtenidos en las visitas de campo, se estima la cantidad diaria de estiércol de aves y ganado.

Los residuos a recolectar provienen del ganado semi estabulado, que oscilan en un peso vivo promedio de 275 kilos; los animales en potrero todo el tiempo serán excluidos del proceso. Para las aves, con un peso vivo promedio de 2 kilos, la recolección se realizará en el corral cada 45 días, al momento de realizar la limpieza y prepararse para un nuevo lote de pollos. Lo anterior se resume en la siguiente tabla:

Clase de animal Cantidad peso vivo (kg)

Vaca 80 275

Pollos 24.000 2 Tabla 15 Cantidades de animales en finca

Fuente: La autora Nadia Mantilla

Para estimar la producción de estiércol por animal en kg/día utilizamos la siguiente tabla de referencia:

Clase de animal

% peso vivo % del material de digestión

Relación C/N

P-Producción de biogás (m3 de gas /1 kg SO)

PE -Estiércol

PO - Orina

% EST sólidos

%SO sólidos

orgánicos





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Vacunos 5 4 15-16 13 20 0,250

Cerdos 2 3 16 12 13 0,350

Caprinos, ovejas

3 1,5 30 20 30 0,200

Caballos 5 4 25 15 20 0,250

Avícolas, gallinas

4,5 4,5 25 17 5-8 0,400

Humanos 1 2 20 15 8 0,300

Tabla 16 Valores y características del estiércol de algunos animales

Fuente: [11]

Se plantea el cálculo del estiércol y del orín por día de cada animal utilizando la siguiente ecuación:

Estiércol en kilogramos por día [11]

𝐸 = 𝑁𝐴 ∗ 𝑃𝑉𝑃 ∗𝑃𝐸

100 (5)

Donde,

E = Estiércol en kilogramos por día

NA = Número de animales por cada especie

PVP = Peso vivo promedio por animal

PE = Producción de estiércol por animal por día en porcentaje de peso vivo*

*Dato obtenido de fuente secundaria. (Ver tabla 16)

Orín en kilogramos por día [11]

𝑂 = 𝑁𝐴 ∗ 𝑃𝑉𝑃 ∗𝑃𝑂

100 (6)

Donde,

O = Orín en kilogramos por día (1 lt de orín pesa 1 kg)

NA = Número de animales por cada especie

PVP = Peso vivo promedio por animal





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P0 = Producción de orín por animal por día en porcentaje de peso vivo*

*Dato obtenido de fuente secundaria. (Ver tabla 16)

Datos de estiércol y orín de VACA:

𝐸 𝑣𝑎𝑐𝑎 = 80 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑠 ∗ 275 𝑘𝑔 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 15) ∗5

100 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 16) (7)

𝐸 𝑣𝑎𝑐𝑎 = 1.100𝑘𝑔

𝑑í𝑎

𝑂 𝑣𝑎𝑐𝑎 = 80 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑠 ∗ 275 𝑘𝑔 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 15) ∗4

100(𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 16) (8)

𝑂 𝑣𝑎𝑐𝑎 = 880 𝑘𝑔 /𝑑í𝑎

En la información primaria obtenida en la granja los operarios manifestaron que las 80 crías generan 900 kg de estiércol; sin embargo, dado a que esta información es aproximada y no obedece a ninguna fuente de medida para efectos del diseño del biodigestor se considera el dato obtenido por la formula (5) y (6) tomada de [11].

Datos de estiércol y orín de POLLO:

𝐸 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜 = 24.000 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜𝑠 ∗ 2 𝑘𝑔 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 15) ∗4,5

100(𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 16) (9)

𝐸 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜 = 2.160 𝑘𝑔/𝑑í𝑎

𝑂 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜 = 24.000 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜𝑠 ∗ 2 𝑘𝑔 (𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 15) ∗4,5

100(𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 16) (10)

𝑂 𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜 = 2.160 𝑘𝑔/𝑑í𝑎

Teniendo los datos correspondientes a las cantidades de estiércol y orín, se realiza el cálculo de la cantidad de materia prima total para carga del biodigestor [11].





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𝑀𝑃𝐶 = 𝐸 + 𝑂 (11)

donde,

MPC = Materia prima para carga en kilogramos por día


O = Orín en kilogramos por día

Se estima la materia prima para carga por día para cada animal aportante al proceso:

𝑀𝑃𝐶𝑣𝑎𝑐𝑎 = 1.980 𝑘𝑔/𝑑í𝑎

𝑀𝑃𝐶𝑝𝑜𝑙𝑙𝑜 = 4.266 𝑘𝑔/𝑑í𝑎

Teniendo presente que actualmente el estiércol del pollo es comercializado sin ningún tratamiento, a un precio aceptable en el mercado, que la mezcla con tamo de arroz puede dificultar la operación del biodigestor y de acuerdo con el interés del propietario de la granja en las consideraciones del diseño se excluye la carga aportante del pollo, por lo cual el biodigestor solo estará diseñado para ser operado con el estiércol de vaca, representado en las 80 crías semi estabuladas.

Se calculan los sólidos totales [11] a partir de las siguientes formulas:

% 𝑆𝑇 = 𝐸 ∗ %𝐸𝑆𝑇

𝑀𝑃𝐶 (12)

donde,

% ST = Porcentaje de sólidos totales contenidos en la materia prima para carga

MPC = Materia prima para carga en kilogramos por día

%EST = Porcentaje de sólidos en el estiércol. *Dato obtenido de fuente secundaria. (Ver tabla 16)


%ST vaca = 8,33% asumiendo un %EST de 15

𝑆𝑇 = %𝑆𝑇 ∗𝑀𝑃𝐶

100 (13)





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ST = Cantidad de sólidos contenidos en la materia prima para carga, en kilogramos por día. [11]

%ST = Porcentaje de sólidos en la carga o materia prima, el cual debe ser inferior al 10%.

MPC = Materia prima para carga en kilogramos por día.

ST vaca = 164,9 kg/día

Como el porcentaje de solidos totales %ST no es superior al 10% en el estiércol de la vaca no se considera necesario calcular la masa de agua para la mezcla que disminuye los sólidos orgánicos contenidos en la materia prima.

Con los datos anteriores realizamos el cálculo de la carga diaria [11] para alimentar el biodigestor:

𝐶 = 𝑀𝑃𝐶 + 𝑀𝐻20 (14)

C = Carga diaria para alimentar el biodigestor kg/día (1 lt = 1 kg)

MPC = materia prima para carga en kilogramos por día

MH2O = Masa de agua para mezcla

C vaca = 1.980 kg/día

C total = 1.980 kg/día

7.3.3 TIEMPO DE RETENCIÓN

El tiempo de retención está relacionado directamente con la temperatura del estiércol al momento de la carga en el biodigestor y la temperatura ambiente, a mayor temperatura, menor cantidad de tiempo de retención. El tiempo de retención determina el volumen del biodigestor.

Para el cálculo del tiempo de retención se utilizó información secundaria de curva de tendencia logarítmica, con datos reportado en fuente de consulta [11].

𝑇𝑅 = (−51,227 ∗ 𝐿𝑛 (𝑇°𝐶) + 206,72) (15)

donde,

TR = Tiempo de retención en días

Ln = Logaritmo natural





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TºC = Temperatura promedio en grados centígrados del sitio donde se instalará el biodigestor

𝑇𝑅 = (−51,22 ∗ 𝐿𝑛 (28°𝐶) + 206,72)

TR = 36 días

El Tiempo de retención calculado es acorde con las condiciones de temperatura ambiente la cual permite un rango entre 10 – 40 días [9].

7.3.4 VOLUMEN DEL BIODIGESTOR

Para el diseño del trabajo de maestría se selecciona el digestor de polietileno, el cual se compone de dos zonas, una gaseosa donde se acumula el biogás y una liquida donde se almacena el estiércol líquido.

Definido en función del tiempo de retención y la carga diaria en el biodigestor, se calcula el volumen utilizando la siguiente ecuación [11]:

𝑉𝑑 = 𝐶 ∗ 𝑇𝑅 ∗ 1,2 (16)

donde,

Vd = Volumen del digestor, en m3

C = Carga diaria para alimentar el digestor m3/día

TR = Tiempo retención en días

1,2 = volumen adicional para el almacenamiento del biogás [11]

Vd = 1,98 m3/día * 36 días * 1,2 Vd = 85,72 m3

Se asume que 1.000 kg de carga es igual a 1 m3 de carga, considerando que la densidad del estiércol es similar a la del agua.

7.3.5 PRODUCCIÓN ESTIMADA DE BIOGÁS [11]

𝑃𝐺 = 𝑀𝑃𝐶 ∗ 𝑆𝑂 ∗ 𝑃 (17)

PG = Gas producido en kg por día

MPC = Estiércol en kilogramos por día





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SO = Porcentaje de materia orgánica del estiércol según animal. *Dato obtenido de fuente secundaria. (Ver tabla 16)

P = Producción aproximada de m3 de gas/1kg de masa orgánica seca total. Dato obtenido de fuente secundaria. (Ver tabla 16)

PG vaca = 1.980 Kg/día * 13% * 0,250 m3gas/1 kgMOseca total

PG vaca = 64,35 m3gas/día

PG total = 64,35 m3gas/día

7.3.6 DIMENSIONES DE BIODIGESTOR

El biodigestor se diseña para ser de flujo continuo [77], es decir todos los días será cargado, una vez, con material orgánico. Revisando la literatura y teniendo como criterio principal el bajo costo del sistema de aprovechamiento energético, se selecciona trabajar el diseño del biodigestor con uno tipo balón de plástico o también llamado de polietileno. El biodigestor de polietileno tiene una cámara de digestión semiesférica, tiene baja presión del gas, pero ocupa menos espacio físico, se acomoda al nivel freático alto del sitio, es fácil de instalar y mantener con materiales que se encuentran disponibles en el comercio de la zona. Este digestor mantiene la forma de una manga amarrada en ambos extremos, que toma una figura cilíndrica a medida que se va produciendo el biogás [63].

El ancho del rollo va a determinar el diámetro del digestor y la sección eficaz. Es importante considerar las ofertas en el mercado en cuanto al ancho del plástico, los anchos comerciales son de 1, 1,25, 1,50, 1,75 y 2 metros, los cuales suelen venderse por rollos de 50 metros o cortados con la longitud deseada. Se selecciona un ancho del rollo de 2 metros, considerando el espacio disponible en la granja para la ubicación del biodigestor.

Ancho del rollo (m) Perímetro del digestor (m)

Diámetro del digestor (m)

1,2 0,64

1,25 2,50 0,8

1,5 3,0 0,96

1,75 3,5 1,12





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2,0 4,0 1,28

Tabla 17 Diámetros del digestor, según el ancho de rollo empleado

Fuente: [63]

Ancho del rollo (m) Sección eficaz (π x D2/4) (m2)

1 0,32

1,25 0,50

1,50 0,72

1,75 0,97

2,0 1,27

Tabla 18 Sección eficaz del digestor, según el ancho de rollo empleado

Fuente: [63]

Para las dimensiones del biodigestor de polietileno se considera la siguiente ecuación [11]:

𝑉𝑇 (𝑚3) = 𝑆 (𝑚2) ∗ 𝐿 (𝑚) (18)

VT = Volumen total en m3. Se toma el volumen del biodigestor Vd S = Sección eficaz en m2. (Ver tabla 18) L = Longitud en m De acuerdo a la tabla 18 se asume un ancho de 2,0 y un S de 1,27 m2

VT = 85,72 m3 S = 1,27 m2 La longitud se despeja [11]:

L = VT /S

L = 85,72 m3 / 1,27 m2

L = 67,49 m

En el sitio seleccionado para el biodigestor no alcanza la longitud requerida, por tal motivo se cambia el criterio de diseño y se calculan las dimensiones para la instalación de TRES biodigestores paralelos. De esta forma realizamos nuevamente el proceso de la sección 7.3.4 para el cálculo del volumen de biodigestor.





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Carga total= 1.980 kg/día equivalente a 1,98 m3/día

Se distribuye así:

Carga biodigestor 1= 0,66 m3/día

Carga biodigestor 2 = 0,66 m3/día

Carga biodigestor 3 = 0,66 m3/día

Se calcula nuevamente el volumen para cada biodigestor usando la Ec.16 de la sección 7.3.4

Vd = 0,66 m3/día * 36 días * 1,2 Vd = 28,5 m3

Vd Biodigestor 1= 28,5 m3 Vd Biodigestor 2= 28,5 m3

Vd Biodigestor 3= 28,5 m3

Se calcula nuevamente la longitud de cada biodigestor usando la Ec.18 de la sección 7.3.6:

La longitud se despeja:

L = VT /S

VT = 28,5 m3 S = 1,27 m2 (ver tabla 18)

L = 28,5 m3 / 1,27 m2

L = 22,44 m

Se redondea a 23 m

L biodigestor 1 = 23 m

L biodigestor 2= 23 m

L biodigestor 3= 23 m





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Ilustración 21. Dimensiones de los biodigestores

Fuente: La autora Nadia Mantilla

Se calcula la producción de biogás por cada biodigestor partiendo del dato obtenido de producción de biogás total:

PG total = 64,35 m3gas/día

PG biodigestor 1 = 21,42 m3gas/día



7.3.7 INSTALACION DEL BIODIGESTOR Y CONDUCCIÓN DEL GAS

Es importante tener presente algunas recomendaciones para la instalación de los biodigestores de polietileno.

Debe realizarse un replanteo del sitio donde se va a ubicar cada biodigestor, actividad que incluirá remoción de capa vegetal, piedras o cualquier material que pueda romper el plástico. En el espacio seleccionado para ubicación del proceso se procede a realizar la zanja que permite alojar cada biodigestor, el suelo debe ser firme y seco, que no representen amenaza de deslizamiento de piedras, con

L = 23 m

A = 2 m





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paredes de pendiente leve y adecuaciones de drenaje de escorrentía que eviten el empozamiento del agua y deterioro del material. Las zanjas serán de las mismas dimensiones del biodigestor, lo que significa que para el diseño propuesto en este trabajo de maestría son tres zanjas de 23 metros de longitud por 2 metros de ancho.

Ilustración 22. Zanjas para biodigestores

Fuente: [65]

Para los biodigestores de la granja en estudio se selecciona un plástico (polietileno transparente) tubular, resistente a los rayos ultravioletas, de un rollo de 2 metros de ancho, calibre 8”.

Construida cada zanja y adecuado el plástico tubular (doble, una bolsa dentro de la otra bolsa y evitando las arrugas) en el sitio asignado se conecta a la tubería de gres de la cámara de entrada, puede facilitar el amarre del plástico a la tubería usar tiras de neumático para asegurar su hermeticidad [64].

De igual forma al otro extremo del plástico tubular dispuesto ya en la zanja se arma y acondiciona la válvula de salida.

Se corta el plástico de cada biodigestor de forma circular en el punto extremo por donde se ubica la salida y proximidad al sitio de aprovechamiento o uso final de biogás y se introduce de manera ajustada y a presión una arandela rígida, rosca macho de PVC y empaque. La arandela se cubre con un pedazo de neumático para que no tenga contacto con el plástico y pueda romperlo. Se ajusta el adaptador hembra que ha sido pegada previamente al codo de 1” y a su vez a la tubería de PVC de 0,5 mt de longitud y 11/2”. En la tubería de PVC se introducen aproximadamente 50 cm de una manguera roscada flexible tipo aspiradora de 11/2”. La longitud de la manguera debe ser de aproximadamente 4 metros de longitud [64].





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Conectada a la válvula de salida, se instala una manguera plástica transparente introducida a presión y que va a conducir a la válvula de seguridad.

Ilustración 23. Válvula de salida

Fuente: [65]

Para la válvula de seguridad primero se ubica un palo de cerca o poste para soporte de la válvula. Se introduce un tubo de tubería de PVC de aproximadamente 30 cm en el centro y en los extremos tubos de 10 cm en un accesorio Té. En uno de los extremos se conecta el tubo de 10 cms con un codo de una pulgada y seguido al codo otro tubo de 10 cms. El tubo principal se introduce en un recipiente plástico con agua, al cual previamente se le han realizado pequeños agujeros en su parte media; se llena con agua, quedando sumergido el tubo. Burbujeando la válvula de seguridad indica cuando el biodigestor está en capacidad de llenado máximo [64].

Ilustración 24. Válvula de seguridad

Fuente: [65]





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Cámara de descarga:

Se almacena el producto resultante del proceso de biodigestión, esta cámara se adecua en recipiente plástico para que sirva como un área de desulfurización adicional. El efluente o bioabono generado puede ser dispuesto en una zona de secado al aire libre y posteriormente usado como biofertilizante [64].

Sistema de conducción de biogás:

La conducción del biogás resultante de cada biodigestor se transportará en manguera de PVC.

Para mejorar la calidad del biogás es preciso suprimir la presencia del ácido sulfhídrico con una trampa de ácido; En [26] expone diferentes mecanismos para la remoción de sulfuros, siendo el lavador de gases el más conocido; [26] adopta la constante que para 800 m3 de biogás se requiere 1 kg de viruta oxidada para eliminar el sulfuro; en este orden de ideas se requiere adecuar un recipiente hermético antes de que el biogás pase a la tubería de distribución, en el cual se puedan introducir 0,045 gramos de viruta metálica oxidada para eliminar el ácido sulfhídrico.

Antes de ingresar a la tubería de distribución del gas también debe instalarse una trampa de agua, la cual consistirá en un recipiente hermético provisto de un grifo de purga para evacuar de manera periódica el agua depositada en el fondo del biodigestor.

7.4 OFERTA ENERGÉTICA Y USO DEL BIOGÁS

La granja La Fortuna tiene diversos procesos que involucran consumo energético, sin embargo, la incubación de pollos es quizás el que representa un mayor gasto para la granja, ya que representa un valor aproximado de $2.000.000 mensuales.

Actualmente la incubación se realiza en los dos galpones, a través de 24 lámparas que funcionan con gas propano, que durante el periodo de levante del pollito consumen 14 cilindros de gas de 100 lb cada uno (que equivale a 45 kg cada cilindro). Lo anterior representa que en total el consumo de gas propano para cada periodo de incubación del pollito (que son 12 días) es de:

45 𝑘𝑔 ∗ 14 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 = 630 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

El cálculo por cada galpón:

45 𝑘𝑔 ∗ 7 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 = 315 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜





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Si se toma que un (1) kg de gas propano es equivalente a 13,39 kWh [68] esto

representaría que el consumo energético es de:

630 𝑘𝑔 ∗ 13,39 𝑘𝑊ℎ

1𝑘𝑔= 8,438 𝑘𝑊ℎ

Conociendo la demanda energética en el proceso de incubación, se realiza el

comparativo del valor energético del biogás y otras fuentes.

Valores Biogás Gas natural Gas

propano Gas metano Hidrogeno

Valor Calorífico (Kwh/ m3) 7,0 10 26 10 3

Densidad (Kq/m3) 1,08 0,7 2,01 0,72 0,09

Densidad con respecto al aire 0,81 0,54 1,51 0,55 0,07

Límite de explosión (% de gas en el aire) 43.075 42.125 43.010 42.125 29.312

Temperatura de encendido 687 650 470 650 585

Máxima velocidad de encendido en el

aire (m/s) 0,31 0,39 0,42 0,47 0,43

Requerimiento teórico de aire

(m3/m3) 6,6 9,5 23,9 9,5 2,4 Tabla 19 Valor energético Biogás vs otras fuentes

Fuente: [62] [69]

1 m3 biogás

Gasóleo (litros)

Gas butano (m3)

Gas propano

(m3) Carbón (kg)

0,66 0,2 0,2 0,85 Tabla 20 Energía equivalente

Fuente: [69]

De acuerdo al diseño realizado la producción de biogás total calculada es de 41,2 m3biogás/día. Tomando como base la composición de biogás así: 70% metano





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(CH4), 28% dióxido de carbono (CO2) y 2% otros gases [69] se estima la energía equivalente de un (1) m3 de biogás por 0,2 m3 de gas propano [69].

𝐸 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣 = (𝑃𝐺 ∗ m3 gas propano en 1 m3de biogás)/ 1 m3 biogás (19)

E equiv = Energía equivalente en la producción de biogás en m3 de gas propano

PG = Producción de biogás en m3. De acuerdo a la sección 7.3.5 el valor dado es de 64,35 m3gas/día

m3 de gas propano en 1 m3 de biogás = 0,2 m3 (Ver tabla 20)

𝐸 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣 =(64,35

𝑚3𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠𝑑í𝑎

∗ 0,2 𝑚3 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜)

1 𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠

𝐸 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣 = 12,87 𝑚3 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

Para revisar si esta oferta energética suple la demanda calculada, es necesario convertir los m3 de gas propano en kg de gas propano. La conversión está dada en función de la masa especifica del gas propano, directamente relacionada con la temperatura de la zona y la presión atmosférica [68]. Para la zona objeto de estudio, con una altitud de 600 msnm, se asume una presión atmosférica de 650 metros, una temperatura de 8°C y un factor de conversión de m3 a kg de 3,47. Lo anterior permite definir:

12,87 𝑚3 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜 ∗ 3,47 = 44,66 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜/𝑑í𝑎

En 12 días que demora la incubación:

44,66 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜

𝑑í𝑎∗ 12 𝑑í𝑎𝑠 = 535,9 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜 𝑒𝑛 12 𝑑í𝑎𝑠

El biogás producido en la granja y comparado con el requerimiento energético del gas propano del proceso de incubación alcanzaría para suplir un galpón en cada lote de pollos recibido. No se podría cubrir la totalidad del proceso de incubación por el tiempo paralelo en el que deben operar los dos galpones para el levante del pollo en 45 días; el requerimiento energético de los dos galpones es una producción superior a la que diariamente genera el biodigestor.





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El uso del biogás en un galpón significa la reducción en la compra de 7 cilindros de gas propano; es decir que el ahorro para la granja La Fortuna es de un equivalente de un millón de pesos ($1.000.000) cada 45 días, que él es tiempo de levante del pollo y en el cual se recibe un nuevo lote.

De otra parte, considerando la producción obtenida de biogás calculado en su equivalente en propano, diariamente de 44,66 kg gas propano/día, y entendiendo que su aporte al proceso de incubación seria de 535,9 kg gas propano en 12 días; se revisa el uso potencial al biogás producido en los 18 días restantes, para completar la producción mensual, en actividades domésticas.

El biogás puede proporcionar energía calórica para la preparación de alimentos y calentamiento de agua [62]. Es preciso realizar la adecuación de la red de distribución del biogás para garantizar el suministro de un biogás tratado y purificado.

Ilustración 25. Red de distribución

Fuente: [62]

La ilustración 27 identifica la red de distribución a implementar para el uso doméstico, posterior a la cámara de descarga y trampa de agua se instala una manguera flexible de PVC con válvula. Posterior a la válvula se ubica un filtro desulfurizador y un medidor de presión (ilustración 27).





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Ilustración 26. Artefactos y adecuaciones

Fuente: [62]

A continuación, se listan los consumos promedio para los diversos usos domésticos del biogás.





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Ilustración 27. Consumo doméstico de biogás

Fuente: [62]

Para el caso de estudio el consumo del biogás durante 18 días del mes tendrá como objeto la preparación de alimentos y el calentamiento de agua. En el diseño





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de biodigestor se calculó la producción de 64,35 m3biogás/día, esto significa que el biogás cubriría el requerimiento energético de: Cocina a gas: consumo promedio de 0,42 m3/hora de dos fogones. En la granja se cuenta con tres estufas de dos fogones para alimentar 20 personas. La cocción de alimentos en la granja diario es de aproximadamente 12 horas, esto da como resultado:

(0,42𝑚3

ℎ𝑜𝑟𝑎∗ 3) ∗ 12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 15,12 𝑚3 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 𝑒𝑛 12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Calentador de agua: consumo promedio de 2,2 m3/hr; el calentamiento de agua en la granja diario es de 9 horas, esto da como resultado:

2,2𝑚3

ℎ𝑟∗ 9 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 19,8 𝑚3 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 𝑒𝑛 9 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

De acuerdo a lo anterior el consumo total de biogás diario en usos domésticos será de:

15,12 𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 + 19,8 𝑚3 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 = 35 𝑚3 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 Lo anterior representa un aprovechamiento del 85% del biogás producido en la granja. En la granja La Fortuna se consumen en actividades de preparación de alimentos y calentamiento de agua 1 cilindro de gas propano de 100 lb (45 kg) con un valor de $142.857. Lo anterior identifica una disminución en el consumo de cilindro de gas propano del 78%.





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7.5 COSTOS DEL BIODIGESTOR

7.5.1 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN

Para la definición de los costos de construcción del biodigestor se cotizaron los materiales en ferretería El Martillo, Reycol, La Casita, ALDIA, Eléctrico y pintura y Home Center; establecimientos comerciales de la Ciudad de Bucaramanga.

Material Dimensiones Cantidad Unidad Precio unitario

Valor Total Características

Plástico de polietileno transparente tubular

calibre 8" 9 m $350.000 $3.150.000 rollo por 25m $ 350.000

Manguera plástica transparente

diámetro 1 1/4" 4 m $ 8.400 $33.600

T de PVC diámetro 1" 6 und $ 2.000 $12.000

Adaptador macho de PVC 1" 6 und $ 1.000 $6.000

Adaptador hembra de PVC 1" 6 und $ 1.300 $7.800

Codo de PVC de 90º 1" 12 und $ 1.200 $14.400

Tubería de presión PVC 1" 60 m $ 4.500 $270.000

Tapón liso de PVC 1" 10 und $ 800 $8.000

Arandelas rígidas de plástico o acrílico

diámetro 20 cm, orificio central 1"

6 und $ 600 $3.600

Empaques o neumático 12 und $ 5.400 $64.800

Manguera roscada flexible diámetro 11/2" 5 m $ 9.500 $47.500

Manguera pvc pvc 60 m $ 4.600 $276.000

Rejilla diametro 4" 1 und $ 80.000 $ 80.000

Tuberia de gres gres 3 " 5 m $ 20.000 $100.000





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Tubo de pegamento (para agua)

4 und $ 12.800 $51.200 Sellador para rosca Eterna (375cc)

Pegamento para tubería metálica (para gas)

4 und $ 9.500 $38.000

Palos de cerca 3 und $32.000 $96.000

Baldes Vanyplast 3 und $13.900 $41.700

TOTAL $5.164.600

Tabla 21 Materiales

Fuente: La autora. Nadia Mantilla

Obras Cantidad Unidad Precio unitario

Valor Total

Descapote y replanteo 138 M3 $ 12.000 $1.656.000

Cámara de mampostería con impermeabilización

6 M3 $ 700.000 $ 4.200.000

Excavación de zanja y ubicación de plástico

10 días $40.000 $400.000

Tanque Plástico rotoplast 1 und $1.200.000 $1.200.000

Flujometro de gas 1 und $600.000 $600.000

Manómetro de gas 1 und $200.100 $200.100

Filtro desulfurizador 1 und $50.000 $50.000

TOTAL $8.306.100

Tabla 22 Costos de obra civil






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7.5.2 COSTOS DE OPERACIÓN

Materiales Cantidad Unidad Precio unitario

Valor Total

Papel pH Merck * (1 paquete de 100 und), monitoreo de pH

1 paq $ 42.000 $ 42.000

Herramientas menores: pala 3 Und $32.000 $192.000

Baldes Vanyplast 3 Und $13.900 $41.700

Sulfato de aluminio * (1 paquete de 25 kilos)

1 paq $100.000 $100.000

Viruta metálica * 1 bolsa $125.000 $125.000

Mano de obra. Obrero* (operario) 30 días $30.000 $1.240.000

TOTAL $1.740.700

Tabla 23 Costos de operación mensual


*Los costos se calculan de forma mensual.

El costo de construcción de los 3 biodigestores diseñados es de $14.871.400, en el primer mes de operación los costos son de $1.740.700 y a partir del segundo mes de operación el costo mensual de operación se reduce a $1.506.300





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8. CONCLUSIONES

Se diseñó un sistema para el aprovechamiento energético sostenible de una granja prototipo ganadero-avícola a partir de la producción de biogás

A partir de análisis de laboratorio se determinó la composición fisico-

química y microbiológica de los residuos orgánicos de ganado y aves generados en la granja La Fortuna.

En el desarrollo del trabajo de maestría se considero llevar a cabo la

generación de biogás exclusivamente con el estiércol de ganado, excluyendo del proceso de biodigestión el estiércol de pollo, teniendo presente que la mezcla con otros materiales como el tamo de arroz puede dificultar el proceso y que es un desecho el cual actualmente la granja comercializa.

Se realizó el diseño de los biodigestores para la granja en estudio con el

estiércol producido por 80 crías semiestabuladas.

De acuerdo al diseño realizado se identificó la oferta energética del proceso de biodigestión, estableciendo usos en actividades productivas de la granja.

Se definieron los costos requeridos para la construcción y operación de los

biodigestores.

Se diseña un biodigestor de flujo continuo, para ser cargado diariamente con estiércol fresco de la granja La Fortuna para uso en actividades de incubación de pollos, preparación de alimentos y calentamiento de agua.

Por la cantidad de biogás producido y de acuerdo al espacio disponible en la granja se opta por ajustar el diseño a 3 biodigestores con similares características.

El costo de construcción de los biodigestores es de $14.871.000 con valores de operación de $1.506.300 mensuales. El ahorro para la granja es de $1.000.000 cada 45 días en el proceso de incubación de pollos y $142.857 mensual por consumo del biogás en actividades domésticas.





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La metodología implementada permitió el conocimiento de las actividades de la granja y fue definitiva al momento de definir criterios de diseño, tales como la escogencia del estiércol a trabajar en el diseño del biodigestor.

9. RECOMENDACIONES

La generación de estiércol en la Granja La Fortuna es superior al dispuesto

para el diseño del biodigestor, se recomienda al propietario revisar la posibilidad de aprovechar el material orgánico del ganado que se encuentra en potrero.

El diseño para el aprovechamiento energético de la granja a partir del biogás puede optimizarse, para uso como combustibles en motores y equipos, adecuando sistemas de compresión para biogás.

De acuerdo con los hallazgos de los análisis de laboratorio, es preciso realizar el monitoreo diario de pH en el tanque de almacenamiento, para asegurar el rendimiento del gas y evitar desequilibrio en el estiércol.

Se recomienda manejar una constante en el número de ganado para aprovechamiento de biogás, con el objeto de garantizar una producción sostenible y la disponibilidad de estiércol para el proceso de biodigestión.

Aunque se consideró en el diseño dificultad en la operación al incluir

estiércol de pollo en el proceso, a futuro se puede considerar la inclusión de otros animales, como por ejemplo cerdos, en el aprovechamiento de biogás.





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